1

ЛЕКЦИЯ 2

ЛИТОГЕНЕЗ КАК СТАДИАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС

2.1 Литогенез и его стадии

Осадочные горные породы – это горные породы, образованные в

термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, в

результате разрушения и выветривания ранее образованных различных по составу и

происхождению горных пород, переотложения и переноса продуктов выветривания и

осаждения их в водной или воздушной среде механическим, химическим,

биологическим путем или в результате всех трех процессов одновременно. Процесс формирования осадочных пород сложный и многообразный и носит

последовательный характер: от образования исходного материала до образования плотной

горной породы, а в дальнейшем и ее преобразования в условиях возрастающих

температур и давлений, когда сформированная плотная осадочная горная порода

погружается на глубину под действием геостатической нагрузки перекрывающих ее

осадочных толщ, накопившихся позднее.

Образование осадочных пород:

- начинается с разрушения (выветривания – механического, химического,

биологического) ранее образованных горных пород различного происхождения,

находящихся на дневной поверхности;

- продолжается образованием в процессе этого разрушения исходного для

осадочных пород материала – твердых частиц, растворов, органических веществ - из

которых в дальнейшем формируются осадочные горные породы;

- затем продукты выветривания осаждаются на месте разрушения материнских

пород или переносятся в виде обломков (продуктов механического выветривания) под

действием силы тяжести, ветра, воды, льда; растворов, обогащенных химическими

элементами и их соединениями, извлеченными из пород при химическом выветривании);

органических остатков, продуктов жизнедеятельности организмов и продуктов

разложения органических веществ (гуминовых, органических кислот и др.);

- твердый и растворенный материал транспортируется в конечные водоемы стока

(бассейны седиментации), осаждается механическим, биологическим или химическим

путем, скапливается (аккумулируется) на дне водоемов в виде насыщенного водой осадка;

- накопившийся осадок с течением времени перекрывается новыми порциями

осадков, и, по мере возрастания их массы, постепенно изолируется от кислорода,

уплотняется, теряет поровые воды и разогревается, опускаясь в более глубокие горизонты

земной коры; в нем протекают различные физические и химические процессы: окисление

сменяется процессами восстановления; кислотность среды сначала резко возрастает за

счет продуктов разложения органического вещества, а затем изменяется в сторону

увеличения щелочности, в меняющейся геохимической среде осуществляется растворение

одних минералов и образование других – в результате рыхлый, насыщенный водой осадок

превращается в плотную литифицированную горную породу с низким содержанием

поровой воды.

- по мере возрастания глубины погружения литифицированных горных пород,

увеличения геостатической нагрузки и роста температур с глубиной процессы

минерального новообразования проявляются более ограниченно (чем при уплотнении

осадка) за счет затрудненного водообмена, возрастает роль процессов перекристаллизации

(тонкокристаллические минеральные фазы сменяются более крупнокристаллическими),

породы еще более уплотняются, теряют пластичность и приобретают способность

растрескиваться с образованием трещин разной направленности, как правило,

распространенных в пределах слоя или между отдельными слоями.

2

Такая последовательность образования осадочных пород отражает понятие

«литогенез» (от греч. lithos – камень и genesis – рождение, возникновение,

происхождение).

Литогенез – это совокупность природных процессов, приводящих к

образованию и последующему изменению осадочных горных пород. Литогенез осуществляется в различных условиях, которые определяются

тектоническими и климатическими факторами; рельефом; жизнедеятельностью животных

и растительных организмов; газовым составом атмосферы; солевым составом,

минерализацией и кислотностью-щелочностью вод гидросферы; интенсивностью и

формами проявления вулканической деятельности; составом материнских пород в

питающих провинциях и др.

Такое последовательное изменение: от образования исходного материала до

аккумуляции осадков, их превращения в плотные горные породы вплоть до глубокой

переработки по мере погружения их на глубину под воздействием возрастающих

температур и давлений, свидетельствует о направленности процессов литогенеза, что

позволило выделить ряд последовательных стадий литогенеза: гипергенез,

седиментогенез, диагенез, катагенез, метагенез. Общая схема стадий литогенеза (по Н.Б.

Вассоевичу) приведена на рисунке (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Общая схема стадий литогенеза (по Н.Б. Вассоевичу)

Полный цикл прогрессивного литогенеза (от исходного материала до образования

осадка и превращения его в осадочную горную породу по мере погружения на глубину)

представляет последовательно сменяющие стадии:

Гипергенез – образование и мобилизация осадочного материала;

Седиментогенез – перенос, осаждение и накопление осадочного материала на

путях переноса и в конечных водоемах стока;

Диагенез – физико-химическое уравновешивание рыхлого осадка и преобразование

его в плотную литифицированную горную породу в поверхностных условиях Земли;

Катагенез – дальнейшее преобразование осадочной горной породы по мере

погружения ее на глубину (до 7,5-15 км) в область более высоких температур (300 °С) и

давлений;

Метагенез – коренное преобразование пород.

3

Общая схема формирования осадка и осадочных пород в стадиальном литогенезе

может быть проиллюстрирована рисунком 2.2. Образование и мобилизация осадочного

вещества осуществляются на поверхности Земли гипергенным (выветривание),

биогенным (растительные и животные остатки), вулканогенным (пепел, лаппили, бомбы)

и гидротермальным (растворы и газовые флюиды) путем.

Рисунок 2.2. Схема формирования осадка и осадочных пород, по О.В. Япаскурту (2008)

с дополнениями Н.Ф. Столбовой (2013)

Перенос вещества осуществляется силой тяжести (гравитационным способом,

механические смеси); льдом (механические смеси), водой (механические смеси,

растворы); ветром (газы и механические смеси); биологическим путем – растительными и

животными организмами (в виде химических веществ, реже механических смесей). В

результате этого в бассейне седиментации накапливаются механические, биологические и

химические осадки, которые по мере поступления новых порций осадка опускаются в

области более высоких температур и давлений и преобразуются в диагенезе в плотную

горную породу, в дальнейшем катагенетически и метагенетически измененную.

2.2. Гипергенез

Гипергенез (от греч. hyper – над, сверх, поверх и genesis – происхождение,

образование) – это начальная стадия прогрессивного литогенеза, протекающая в

приповерхностных и поверхностных условиях Земли, стадия образования и мобилизации

материала, который в дальнейшем служит для образования осадочных пород.

Когда залегающие на различных глубинах горные породы в результате

тектонических движений поднимаются на поверхность, они попадают в новые условия,

отличающиеся от условий их образования: относительно невысокие, но изменчивые

температуры (от положительных до отрицательных, различающиеся на солнечной и

теневой сторонах, в разное время суток, в разные дни, месяцы, сезоны); более низкое, чем

глубинное, атмосферное давление; обилие метеорных осадков (дождь, снег, град и т.д.) и

грунтовых вод; повышенная аэрация и движущийся воздух – ветер; высокое содержание

4

кислорода и других атмосферных газов; животный и растительный мир (бактерии, грибки,

мхи, лишайники и др.). Под воздействием внешней среды исходные (материнские) горные

породы начинают разрушаться механически, химически и биологически, т.е.

подвергаются процессу выветривания.

Выветривание – это совокупность процессов физического, химического и

биологического разрушения горных пород и слагающих их минералов в поверхностных

условиях земли.

Факторами выветривания являются:

- тип и текстурно-структурные особенности горных пород;

- тип выветривания (физическое, химические, биологическое или смешанное);

- климат (осадки, температура);

- рельеф (равнинный и горный);

- тектоника;

- время, в течение которого породы подвергаются выветриванию.

В результате действия этих факторов и агентов химического (атмосферные воды;

растворы, обогащенные минеральным и органическим веществом, кислород, углекислый

газ, азот и др. газы), физического (ветер, разность температур и др.) и биологического

(микробиальная деятельность, органические кислоты и др.) выветривания на стадии

гипергенеза протекают три типа взаимосвязанных процессов:

а) разрушение (выветривание) ранее образованных пород;

б) возникновение особого типа осадочных «остаточных» пород, образованных за

счет замещения минералов материнских пород, осаждения из растворов, окисления и

других процессов, и залегающих на месте своего образования (будут рассмотрены далее в

разделе «Элювиальные фации»);

в) образование исходного материала для осадочных пород;

В результате этих процессов:

- часть продуктов выветривания остается на месте, образуя над неизменёнными

материнскими породами коры выветривания, сложенные продуктами минерально-

геохимического изменения исходных пород;

- часть компонентов выносится за пределы зоны гипергенеза, являясь исходным

материалом для образования осадочных пород.

Кора выветривания – континентальная геологическая формация (совокупность

горных пород), образовавшаяся на земной поверхности в результате изменения исходных

горных пород под воздействием жидких и газообразных атмосферных и биогенных

агентов.

Зона гипергенеза – это участок земной коры, в котором в поверхностных условиях

происходят минерально-геохимические преобразования исходных (материнских) пород.

Зона гипергенеза – понятие более широкое, чем кора выветривания. Оно не

ограничивается только совокупностью пород, претерпевших минерально-геохимические

изменения в поверхностных условиях верхней части земной коры, но и объединяет

факторы (температура, давление и др.), агенты выветривания (аэрация, выносы,

переотложения растворимых и остаточных продуктов разрушения и т.д.) и процессы

(растворение, химическое разложение, окисление), приводящие к образованию коры

выветривания под воздействием факторов и агентов физического, химического и

биологического выветривания (аэрация, выносы, переотложения растворимых и

остаточных продуктов разрушения и т.д.).

Количество, состав и физико-химическое состояние исходного для формирования

осадочных пород материала определяются факторами и агентами выветривания.

В общем случае исходный осадочный материал может быть представлен:

- механокластическим материалом – обломками разрушенных при физическом

выветривании горных пород и минералов;

- химическими веществами, растворенными в воде (коллоиды, истинные растворы);

5

- органическими соединениями, растворенными в воде (гуминовые и другие

органические кислоты и органические соединения).

Полезные ископаемые зоны гипергенеза:

- руды черных металлов: железа, марганца;

- руды цветных металлов: алюминия, никеля, кобальта;

- энергетические ресурсы: уран;

- нерудные: каолины, огнеупорные глины, магнезиты;

- редкие элементы, барий;

- россыпные месторождения: золото, платина, касситерит, алмазы, титаномагнетит,

цирконий, монацит и др.

2.3. Седиментогенез

Стадия седиментогенеза (от латинского Sedimentum – оседание и греческого

genesis – рождение, возникновение) является второй стадией прогрессивного литогенеза.

Седиментогенез – это очень многообразная и сложная стадия, при которой

вынесенные из зоны гипергенеза продукты выветривания превращаются в осадок,

который на более поздних стадиях литогенеза трансформируется в горную породу.

В седиментогенезе продукты выветривания вовлекаются в процесс переноса

(транспортировки) и перемещаются с более возвышенных участков земной коры в более

низкие.

В седиментогенезе осуществляется: образование и разрушение коллоидных и

ионных растворов; механическая, химическая и биохимическая дифференциация

продуктов выветривания, вынесенных из зоны гипергенеза; интеграция (соединение)

исходных продуктов и образование из них осадка; привнос продуктов вулканической

деятельности; космического пространства (космическая и метеорная пыль и метеориты);

хозяйственной деятельности человека.

Седиментогенез состоит из нескольких этапов:

1 – переноса продуктов выветривания;

2 – осаждения обломочных, химических и биологических веществ;

3 – накопления (аккумуляции) осадков.

2.3.1. Перенос осадочного материала

Продукты разрушения из зоны гипергенеза перемещаются под действием силы

тяжести, переносятся ветром, льдом, водой, живыми организмами.

Под действием силы тяжести продукты смещаются вниз по склону. При этом

переносится разноразмерный обломочный материал: от очень крупного (несколько

метров) до очень мелкого (менее мм). Он перемещается сползанием, волочением,

перекатыванием, подпрыгиванием (сальтацией); в ходе переноса обламывается,

скалывается, измельчается, и, в конечном итоге, накапливается на склонах в виде обвалов

и осыпей.

Ветром переносятся обломочные частицы во взвешенном состоянии (аэрозоли),

волочением, подпрыгиванием (сальтацией) и перекатыванием. Дальность переноса

определяется силой ветра и размером обломочных частиц (таблица 2.1).

В результате перевевания ветром образуются эоловые отложения: лёссы (глинисто-

алевритовые осадки, образующие плащеобразные покровы площадью до нескольких

десятков, иногда сотен км2) и пересеянные пески (холмики, дюны, барханы высотой до

50-80, реже 100 м), иногда гравелиты и галечники. Перенос ветром осуществляется во

всех климатических зонах, но развит, главным образом, в областях с сухим жарким

климатом и отсутствием сплошного растительного покрова, препятствующего

перемещению частиц.

6

Таблица 2.1. Дальность переноса частиц ветром умеренной силы

Гранулометрический тип Размеры, мм Дальность переноса

Гравий 1-8 несколько метров

Крупный и средний песок 1-0,25 менее 1,5 км

Крупный алеврит и мелкий песок 0,05-0,125 несколько километров

Средний алеврит 0,03-0,05 323 км

Мелкий алеврит 0,015-0,03 1630 км

Тонкий алеврит и глина 0,015 вокруг Земли

Лед переносит рыхлый несортированный обломочный материал (валуны, щебень,

гальку, песок, алеврит, глинистые частицы), который вмораживается в него и

перемещается в теле ледника, сползающего вниз под действием силы тяжести, а затем по

мере таяния льда сбрасывается в виде морен – ледниковых отложений толщиной от

нескольких сантиметров до 400 метров.

Перенос водой является – основным путем миграции вещества на континентах,

перемещающий большую часть осадочного материала (возможно больше 90 %). Вода

переносит обломочный материал в виде твердого стока и растворенный материал в виде

истинных (ионных) и коллоидных растворов.

Крупные обломки (валуны, галька, гравий) в основном перемещаются волочением

по дну и сальтацией; мелкие (песок, алеврит и глинистые частицы) – во взвешенном

состоянии. Размеры переносимого водой обломочного материала, степень его

гранулометрической однородности и окатанность обломков зависят от близости к

источникам сноса, изрезанности рельефа, постоянства водного потока, скорости течения.

Более крупные (размером несколько десятков см и более: валуны, галька, гравий), слабее

окатанные и хуже сортированные обломки переносятся вблизи источников сноса горными

реками с высокими скоростями течения, обусловленными сильной изрезанностью

рельефа, с резко меняющимся гидрологическим режимом, зависящим от периодичности и

величины выпадающих в горах осадков. Менее крупные (размером от первых десятков см

до 1 и менее мм: галька, гравий, песок, алеврит, глинистые частицы), гранулометрически

более хорошо отсортированные и более окатанные обломки переносят равнинные реки,

что обусловлено как удаленностью переносимого материала от источников сноса и более

длительной и постоянной их водной обработкой, так и более низкой скоростью течения.

Кроме твердого стока осадочный материал переносится в воде в виде истинных

растворов и коллоидов.

Коллоиды представляют тонкодисперсные положительно (гидроксиды Fe, Al, Ti,

Zr) или отрицательно (глинистые минералы, органическое вещество гумусового ряда, гель

кремнекислоты, гидроксиды Mn) заряженные частицы растворенного вещества размером

1-200 мкм (0,000001 – 0,0002 мм).

Истинные (ионные) растворы состоят из ионов хорошо и плохо растворимых в воде

соединений: хлоритов, сульфатов, карбонатов; кремнезёма; окисных соединений Mn, Fe,

фосфатов и др. Наиболее растворимые хлориды и сульфаты К, Na, Ca, Mg мигрируют

(переносятся) исключительно в виде истинных растворов; менее растворимые карбонаты

Ca, Mg и кремнезем (SiO2) преимущественно переносятся в виде растворов, но могут

переноситься и в твердом состоянии; соединения Fe, Mn, P, Cu, Zn, Pb, Al, Cr, V, Ni и

других элементов, обладающие малой растворимостью, переносятся в виде истинных

растворов, коллоидов, взвесей и обломков волочением по дну; глинистые минеральные

частицы переносятся в виде коллоидов, но большей частью в виде взвесей.

Перенос материала организмами связан с перемещением химических элементов

(Н, С, N, О, Р, S, Cl, К, Са, Сu, Mn, Zn, Mo, Fe, V, Со, Sr, Br, I и др.) в процессе

жизнедеятельности растений, животных, микроорганизмов.

7

В ходе транспортировки осадочного материала происходит:

- механическая (разделение по плотности, размерам, форме, устойчивости к

разрушению и др.) и химическая (по степени растворимости химических элементов в

воде) дифференциация (рисунок 2.3) материала;

- интеграция – смешивание материала из разных источников сноса.

Рисунок 2.3. Механическая дифференциация веществ по крупности (1), удельному весу

(2) и форме обломков (3)

На путях миграции часть материала осаждается в процессе переноса, но большая

поступает в бассейны седиментации (конечные водоемы стока).

Полезные ископаемые С этапом переноса и дифференциацией материала по удельному весу и благодаря

высокой устойчивости минералов к механическому и химическому разрушению связано

формирование аллювиальных (речных) россыпных месторождений золота, платины,

титана, ильменита, циркония, алмазов, гранатов и других.

2.3.2. Седиментогенез. Осаждение и аккумуляция

Осаждение разнородного осадочного материала, привнесенного в бассейн

осадконакопления (седиментации), сопровождается пространственным разобщением

(осадочной или литологической дифференциацией) материала: из смеси разнородных

компонентов (обломочных, биологических, химических) формируются осадки

существенно однородного структурного и вещественного литологического состава

(гравий, песок, алеврит, ракушняки, глинистые илы, карбонатные илы, соли и другие

осадки), часто имеющие относительно простой химический состав с высокой

концентрацией ограниченного числа породообразующих химических элементов.

Осаждение осадочного материала (осадков) осуществляется в пониженных

участках рельефа и протекает в континентальных (пресноводных, пустынных,

8

ледниковых), переходных (дельтовых и лагунных) и морских (прибрежных, мелководных,

глубоководных) условиях.

Способ осаждения и состав осадка определяются составом привнесенного в

бассейн седиментации обломочного (аллотигенного), биологического (аллохтонного) и

химического материала и условиями осаждения:

- при механическом осаждении образуются терригенные осадки, состоящие из

обломков пород и минералов;

- при химическом осаждении образуются хемогенные или химические осадки,

состоящие из кристаллических минеральных зерен;

- при биогенном осаждении образуются органогенные осадки, состоящие из

отмерших остатков животных и растительных организмов.

Факторами осаждения служат механические (изменение динамики водной среды,

силы ветра), физико-химические (изменение температуры, солености, минерализации вод

и т.д.), химические (изменение кислотности-щелочности, окислительно-

восстановительных условий) и биохимические (поглощение элементов организмами)

барьеры.

Распределение осадков в бассейнах седиментации подчиняется определенным

законам:

- динамическим (механическим): ближе к берегу накапливается крупнообломочный

материал (размер обломков >1 мм, на удалении от берега формируются последовательно

мелко- и тонкообломочный материал (размер 0,01-0,1 мм т <0,01 мм соответственно) и

материал с более высоким удельным весом (рисунок 2.4, А и 2.4, Б);

- химическим (в условиях хорошей аэрации в прибрежной полосе моря образуются

оолитовые железные руды, состоящие из оксидов и гидрооксидов железа; на удалении от

берега в условиях слабой аэрации и более щелочной обстановки – силикатные и закисные

железные руды; затем карбонаты и сернокислые и галоидные соли (рисунок 2.4, В);

- биологическим: кремнистые органогенные породы формируются в более

холодных морях; органогенные известняки – в теплых морях.

Рисунок 2.4. Схема механической (А, Б) и химической (В) дифференциации веществ

(по Л.В. Пустовалову)

В результате осаждения обломочный, химический и биогенный осадочный

материал накапливается (аккумулируется) в пониженных участках земной коры, образуя

9

линзы, слои, пласты, покровы и другие геологические тела, что приводит к выравниванию

рельефа.

Полезные ископаемые С осадочной дифференциацией и аккумуляцией в седиментогенезе связано

формирование коллекторов, флюидоупоров, нефтегазоматеринских пород, осадочных

рудных и нерудных полезных ископаемых, строительных материалов, россыпей

благородных и ценных металлов (золота, платины, олова, вольфрама, титана, ниобия,

тантала), алмаза, гранатов, горного хрусталя, янтаря и др. С седиментогенезом связаны

также месторождения каменных, калийных и магнезиальных солей, бишофита, торфа,

сапропелей, глин.

2.4. Диагенез

Диагенез (от греч. диагенезис – перерождение) – это стадия превращения

образованных в седиментогенезе рыхлых осадков, накопившихся на дне

седиментационных бассейнов, в плотную осадочную горную породу верхней зоны

земной коры. Условия диагенеза:

1. Поверхностные условия Земли (глубина залегания пород от поверхности от 10

см до 500-1000 м),

2. Относительно низкие положительные температуры (до 50-60 ºС),

3. Низкое (поверхностное и приповерхностное) давление,

4. Смешанный состав (обломочные, химические и органические компоненты)

осадка и его высокая влажность (более 50%, в глинистых осадках – до 80-90%),

5. Наличие органических остатков (растительного и животного происхождение) и

обилие микроорганизмов (бактериального мира),

6. Высокая концентрация веществ в иловых водах,

7. Общая физико-химическая неравновесность,

8. Изменчивые окислительно-восстановительные (Еh) и кислотно-щелочные (рН)

условия,

9. Проницаемость осадка, обеспечивающая почти беспрепятственный

диффузионный обмен ионами и газами.

По особенностям физико-химических процессов и результатам преобразования

осадочного материала в стадии диагенеза выделяют три этапа: ранний, средний и поздний.

Ранний диагенез – это этап физико-химического уравновешивания,

бактериального преобразования осадка и окислительного минералообразования.

Ранний диагенез (продолжительность его от нескольких дней до тысячелетий)

протекает в самом поверхностном (толщиной от 10-15 до 50 см) слое перекрытого осадка,

в условиях хорошего водо- и газообмена с наддонными водами в окислительной

обстановке. Осадок неуравновешен, насыщен водой, содержит слабо измененное

захороненное органическое вещество; иловые воды обогащены свободным кислородом;

система насыщена живыми микроорганизмами (бактериями, микробами, вирусами и т.д.);

существует водо- и газообмен между иловыми и наддонными водами.

Преобразование осадка на этом этапе тесно связано с микробиальной

деятельностью микроорганизмов, которые для обеспечения своей жизнедеятельности

поглощают свободный кислород иловых вод и захороненного органического вещества.

Высвобождающиеся при разрушении органического вещества и в процессе

микробиальной жизнедеятельности газообразные продукты (H2S, N2, CH4, CO2, NH3, Н2)

мигрируют в перекрывающий осадок и наддонные воды, а кислые жидкие (органические

кислоты и др.) продукты разложения органического вещества смешиваются с иловыми (в

случаях слабой изолированности системы – и наддоными) водами, повышая их

кислотность, что приводит к растворению карбонатов (СаСО3, MgCO3, SrCO3 и др.).

10

На ранних этапах исчезновение кислорода из системы компенсируется его

поступлением из наддонных вод вследствие слабой закрытости системы, что способствует

образованию окисных минералов: железомарганцевых конкреций, глауконита – (K, H2O)

(Fe3+, Al, Fe2+, Mg)2[Si3AlO10](OH)2×nH2O, фосфатов: фторапатита – Ca5(PO4)3F и

вивианита – Fe3(PO4)2·8H2O, цеолитов – Mex/n[AlxSiyO2(x+y)]×zH2O, где Me – металл, n –

степень окисления металла, х – число атомов Al, у – число атомов Si, z – число молекул

воды). Исходными элементами этих минералов служат иловые воды, разлагающееся

органическое вещество; сорбированные глинистыми минералами, органическим

веществом и коллоидами катионы калия, железа, алюминия и марганца; а также элементы,

освобожденные их разрушающихся карбонатов.

Средний диагенез – восстановительный этап минералообразования.

Средний диагенез протекает в осадках до глубин 10 м. Он связан с ухудшением

(прекращением) водообмена иловых и наддонных вод, исчезновением кислорода из

системы и обогащением ее сильными восстановителями, что приводит к смене

окислительной обстановки на восстановительную.

По мере истощения свободного кислорода в системе и ухудшения (прекращения)

водообмена между иловыми и наддоными водами главными источниками кислорода для

обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов становятся захороненное органическое

вещество, растворенные в иловых водах сульфаты (SO42-), растворенные и твердые

минеральные кислородсодержащие соединения – гидроксиды и оксиды железа, марганца,

ванадия и др. Начинаются процессы редукции (восстановления), и окислительный этап

диагенеза сменяется восстановительным.

В результате разложения органического вещества иловые растворы становятся

более кислыми (за счет кислых продуктов разложения органики - спирты, альдегиды,

карбоновые кислоты, углеводороды) и обогащаются сильными восстановителями (H2S,

N2, CH4, CO2, NH3, Н2). В кислой среде начинается разрушение полевых шпатов,

темноцветных и других минералов, в результате чего растворы обогащаются щелочными

(К+, Na+, Fe2+ и др.) элементами, которые также являются сильными восстановителями.

В ходе дальнейшего диагенеза иловые воды обогащаются щелочными и

щелочноземельными элементами (сорбированными глинистыми минералами и

органическим веществом, освобожденными из микробиально разлагающейся органики и

растворяющихся минералов) и становятся нейтральными, а затем щелочными.

Смена окислительных условий восстановительными приводит к редукции оксидов

(в кислой среде), образованию карбонатов (сидерита, родохрозита, кальцита в

нейтральных и щелочных условиях) и сульфидов Fe, Pb, Zn, Cu.

Поздний диагенез – этап перераспределения вещества.

Для позднего диагенеза характерно прекращение бактериальной деятельности,

перераспределение новообразованных минералов, формирование конкреций, локальная

цементация и перекристаллизация ранее образовавшихся минералов.

Продолжающееся опускание пород на глубину, их уплотнение и образование

новых минералов приводят к значительному уменьшению сообщающегося порового

пространства и препятствуют свободной циркуляции растворов. Они скапливаются в

изолированных наиболее проницаемых участках и обогащаются минеральными

компонентами в результате диффузионного подтока вещества. По мере пресыщения

растворов минеральными компонентами начинается синтез минералов и образуются

конкреции: в кислой среде конкреции представлены кварцем и каолинитом, в слабо

щелочной – сидеритом, в щелочной – кальцитом. С поздним этапом диагенеза связывается

трансформация арагонита, слагающего органогенные остатки, в кальцит; образование

псевдоморфоз каолинита, кремнистых минералов, пирита, сидерита, кальцита по

растительным и животным органическим остаткам.

С поздним диагенезом связано также и образование диагенетических трещин,

которые образуются под действием нагрузки вышележащих толщ. Диагенетические

11

трещины короткие, извилистые, развиты в пределах одного пласта или послойные. Они

заполнены кварцем, кальцитом, каолинитом, сидеритом и другими диагенетическими

минералами.

В позднем диагенезе микробиальное разложение органического вещества

постепенно затухает, количество выделяющихся из него кислых жидких и газообразных

веществ значительно сокращается, объем его значительно сокращается по сравнению с

объемом органического вещества первоначального осадка, а само вещество

трансформируется в кероген (греческ. κηρός – воск, γένεση – рождающий) – устойчивое к

растворению поликонденсированное органическое вещество, из которого в катагенезе

рождается нефть.

Результатом диагенеза является:

- Физико-мимическое и биохимическое уравновешивание осадка;

- Обезвоживание и уплотнение осадка под действием геостатической нагрузки

перекрывающего более позднего осадка;

- Растворение неустойчивых и образование новых (аутигенных) устойчивых при

диагенезе минералов и цементация обломочных пород;

- Кристаллизация химических осадков;

- Замещение органогенных остатков;

- Образование конкреций.

- Образование керогена;

- Уплотнение, цементация, литификация осадка;

- Образование плотной осадочной горной породы;

- Диагенетическое трещинообразование.

Полезные ископаемые

- Стратиформные (т.е. приуроченные к определенным стратиграфическим уровням:

пласты, горизонты) рудные месторождения Сu, Рb, Zn, Mn, Fe (сидеритовые руды) и

других металлов, образованные в этап перераспределения вещества;

- Строительные материалы: гравелиты, песчаники, скрытокристаллические

известняки и доломиты;

- Минеральные (фосфориты) и органические (торф) удобрения;

- Горючие полезные ископаемые – торф.

2.5 Катагенез

Катагенез (от др.-греч. κατα – приставка, обозначающая движение вниз и γένεσις –

развитие) – дальнейшее после диагенеза преобразование осадочной горной породы по

мере увеличения глубины ее захоронения под влиянием возрастающих температуры и

давления (а в некоторых случаях и воздействия водных растворов и газов), вплоть до

превращения ее в метаморфические породы. Термин впервые предложен А.Е. Ферсманом в 1922 г. Знание закономерностей

катагенеза необходимо для оценки перспектив нефтегазоносности осадочных отложений,

прогнозирования свойств нерудных полезных ископаемых (строительных материалов),

марок угля и др.

Условия катагенеза:

1.Закрытость системы;

2. Высокая температура – от 30-50 до 200-250 °С;

3.Высокое литостатические давление – от 10-20 до 150-200 МП и более;

4. Глубина – от 100-500 м до 5-10 км (до 15-20 км);

5. Геологическое время – от первых десятков млн. лет до 2,5 млн. лет.

Стадия катагенеза осуществляется в условиях дальнейшего погружения

прошедших диагенез пород в области более высоких температур (от 30-50 до 200-250 °С

(по некоторым данным до 300 °С) и давлений (от 10-20 до 150-200 МП и более) на

12

глубины от 100-500-м до 5-10 км (по некоторым данным, до 15-20 км – Прикаспийская

впадина). Катагенез является самой длительной стадией прогрессивного литогенеза и

длится от первых десятков млн. лет до 2,5 млн. лет (Калгурли, Австралия). Для катагенеза

характерна закрытость системы: процессы протекают без привноса материала извне за

счет изменения температуры и давления.

Агентами изменения пород при катагенезе являются:

1. Возрастающие давление и температура;

2. Отжимаемые из уплотняющихся пород растворы (элизионные воды);

3. Жидкие и газообразные вещества – продукты преобразования органического

вещества.

В условиях катагенеза при возрастающем литостатическом давлении из

уплотняющихся пород (в первую очередь глинистых) отжимаются в пористые пласты

свободные поровые и связанные (пленочные, кристаллизационные)

высокоминерализованные воды. Минерализации вод способствуют высокие температуры

и давления и высокая агрессивность растворов по отношению к вмещающим их породам.

Катагенетические воды обогащены SiO2, щелочными и щелочноземельными и др.

элементами. Известны месторождения цветных металлов, урана, ванадия, стронция

(целестин), бария, флюорита, образованные в результате миграции и разгрузки

катагенетических вод в пористые пласты и по тектонически ослабленным зонам1

Специфические воды формируются в глинистых и карбонатных толщах,

обогащенных рассеянным органическим веществом (нефтегазоматеринских толщах). В

результате термокаталитического преобразования органическое вещество (кероген)

генерирует углеводородные и неуглеводородные газы и жидкости (вода, органические

кислоты, спирты, кетоны и др.).

Отток элизионных растворов из глинистых пород в песчаники, алевролиты и

другие переслаивающиеся с глинистыми пористые породы способствует потере

пластичности глин и трансформации их в аргиллиты.

Минерализованные воды (минерализация их в ходе катагенеза возрастает до 300 г/л

и более), поступающие из глинистых толщ в песчаные (и другие терригенные) являются

весьма агрессивными по отношению к ним, и вступают во взаимодействие с первичными

компонентами пород: часть минералов замещается, часть трансформируется в другие,

более устойчивые минералы, часть растворяется. По мере роста температур и давлений

эти процессы усиливаются.

В щелочной среде растворяется кварц и полевые шпаты; полевые шпаты

замещаются гидросерицитом, а со временем переходят в монтмориллонит или другие

смектиты; мусковит – в гидромусковит; биотит – в гидробиотит, вермикулит, глауконит и

монтмориллонит.

В кислых условиях полевые шпаты и мусковит замещаются каолинитом, а биотит

переходит в каолинит и хлорит. По пироксенам и амфиболам развиваются хлориты. Вул-

каническое стекло превращается в смектиты, хлориты, цеолиты 2

Значительные изменения осуществляются и в цементной части пород:

- первичный глинистый и диагенетические аморфный (опаловый) и

микрокристаллический (кремнистый, карбонатный, сульфатный и др.) цементы

претерпевает перекристаллизацию с образованием более крупных кристаллических зерен;

- сильно измененные обломочные зерна и продукты их преобразования

трансформируются в цемент;

- за счет разгрузки минерализованных растворов образуются новые цементы –

кварцевые (регенерационные), кальцитовые, каолинитовые и др.

1 Интернет-ресурс. URL: (https://www.geolib.net/lithology/stadii-obrazovaniya-i-sushestvovaniya-osadochnyh-

porod.html). 2 Там же

13

Наиболее сильным изменениям в катагенезе подвергается органическое вещество.

Остатки растительной органики углефицируются, торфяные скопления претерпевают ряд

преобразований от бурых до каменных матовых и блестящих углей до антрацитов;

сапропелевое вещество превращается в горючие газы и нефть.

Катагенетическая стадия разделяется на три этапа: ранний (протокатагенез – ПК),

средний (мезокатагенез – МК) и поздний (апокатагенез – АК). Этапы разбиваются на

градации, которые обозначают буквенными индексами: в протокатагенезе различают 3

градации – от ПК1 до ПК3; в мезокатагенезе – 5 градаций – от МК1 до МК5; в

апокатагенезе – 4 градаций – от АК1 до АК4: градации АК1 и АК2 относят к позднему

катагенезу, градации АК3 и АК4 – к метагенезу. Разделение на градации проводится,

согласно углемарочной петрографии, по отражательной способности витренита

(органическое гелефицированное вещество, входящее в состав ископаемых углей) и

приведено в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Шкала катагенеза и температуры углефикации

(по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу)

Зона Подзона Градация

ПОВ на

верхней

границе

градации Марка угля Температура

углефикации, °С

Rа,

%

Rо,

%

Катагенез

Протокатагенез

Бурые

ПК1 5,7 0,24 Б1 от Б1 до Б3

ПК2 6,0 0,3 Б2 > 35 до 90-100

ПК3 6,6 0,4 Б3 Б3→Д от 100 до 125

Мезокатагенез

МК1 7,0 0,50 Длиннопламенные Д→Г от 125 до 140

МК2 7,5 0,62 Газовые Г→Ж от 140 до 170

МК3 8,5 0,94 Жирные Ж→К от 170 до 195

МК4 9,1 1,17 Коксоввые К→Ос от 195 до 225

МК5 10 1,60 Отощенные

спекающиеся Ос→Т от 225 до 245

Апокатагенез АК1 10,8 2,00 Тощие Т→А1 от 245 до 265

АК2 11,6 2,50 Антрациты А1 А1→А2 от 265 до 285

Метагенез АК3-4 >13 >3,40

Антрациты А2

Антрациты

графитистые А3-4

А2→А3-4 от 285 до 300-

350

В раннем катагенезе (глубина погружения до 5-10 км) преобладают физико-меха-

нические процессы: уплотнение пород (общая пористость снижается от 40 до 15%) и

отжатие элизионной воды. Они сопровождаются разнообразными химико-минерало-

гическими процессами: гидролизом силикатов и органического вещества, растворением

кварца и силикатов, глинизацией («глубинное выветривание») силикатов, трансформаци-

ей и синтезом минералов, образованием конкреций, цементацией песчаников и

брекчированных при катагенезе известняков, метасоматозом карбонатных пород; уплотне-

нием глин при сохранении их пластичности и размокаемости; переходом части трепела в

опоку; торфа – в бурые угли.

В среднем катагенезе (МК1-5) продолжается уплотнение пород до почти полного

исчезновения пор, текстуры пород сохраняются, а структуры заметно изменяются, усили-

14

ваются минералообразование и цементация пород. Глины становятся неразмокающими

аргиллитами, но ещё с первичной неконформной, обломочной структурой, означающей

отсутствие перекристаллизации. Однако глинистый цемент песчаников в этой зоне уже

перекристаллизован и имеет лепидобластовую (листоватую) структуру. Известняки мра-

моризуются (становятся мраморизованными известняками), опалолиты (опаловые поро-

ды) переходят в халцедонолиты, ископаемые угли последовательно трансформируются в

угли марок Д (длиннопламенные), Ж (жирные), К (коксовые), ОС (отощённо-спекающие-

ся) и каменных углей марок Д (длиннопламенные) и Г (газовые). Средний катагенез

является основным этапом созревания органического вещества и генерации нефти и

углеводородных газов, с ним связана главная зона нефтенакопления (ГЗН) и главная зона

газонакопления (ГЗГ).

В позднем катагенезе (подзона АК1-2) осуществляется массовое растворение под

давлением обломочных зерен кварца, полевых шпатов, пород; глинистое вещество

преобразуется в гидрослюды и хлорит; карбонаты перекристаллизовываются, в них

появляются стилолитовые швы. Породы, при сохранении текстурных особенностей,

претерпевают значительные структурные изменения: появляются конформные,

регенерационные, в глинистых породах – ориентированные структуры. Угли

трансформируются в тощие (марка Т) и полуантрациты (А1).

Результат катагенеза:

1.Дальнейшее уплотнение пород;

2.Перекристаллизация;

3.Образование новых минералов;

4.Образование горючих, рудных и нерудных полезных ископаемых;

5. Образование катагенетических трещин

Полезные ископаемые, образованные при катагенезе:

- горючие полезные ископаемые (бурые, каменные угли, антрациты, нефть,

природный газ),

- некоторые руды железа, магния,

- стратиформные месторождения цветных металлов, урна, ванадия,

- мраморы, халцедонолиты и другие поделочные и декоративные камни.

2.6. Метагенез

Метагенез (от греч. μετα – между, после и γένεσις – происхождение, рождение) –

это следующая за катагенезом и предшествующая региональному метаморфизму

стадия, осуществляющаяся в нижней части стратисферы (от лат. stratum – настил,

слой и sphaira – шар) – осадочной оболочки Земли, выраженная в существенных

структурных и минеральных преобразованиях осадочных горных пород и

преобразование их в метаморфизованные породы. Условия метагенеза

Главными факторами метагенеза являются повышенные температуры и

повышенные давления

Процессы:

- Перекристаллизация ранее образованных аутигенных минералов и глинистого

вещества;

- Растворение и перекристаллизация под давлением главных породообразующих

минералов осадочных горных пород;

- Образование новых парагенетических минеральных ассоциаций:

диоктаэдрическая слюда, серицит (мусковит), хлорит, кварц, карбонаты;

- Образование метаморфизованных осадочных горных пород, являющихся

переходными от осадочных к метаморфическим:

аргиллиты → глинистые сланцы → аспидные сланцы → филлитовидные породы,

15

песчаники → метапесчаники → кварцитовидные песчаники → кварциты,

известняки → кристаллические известняки,

доломиты → кристаллические доломиты,

антрациты → графитизированные антрациты

Mетагенез захватывает всю минеральную массу пород: глинистые минералы

преобразуются в слюдистые, гидроксиды алюминия – в корунд, гидрогётит – в гематит;

усиливается взаимное прорастание зерен друг в друга.

При этом слоистая текстура пород может сохраняться.

2.6. Метагенез

Метагенез (от греч. μετα – между, после и γένεσις – происхождение, рождение) –

это следующая за катагенезом и предшествующая региональному метаморфизму

стадия, осуществляющаяся в нижней части стратисферы (от лат. stratum – настил,

слой и sphaira – шар) – осадочной оболочки Земли, выраженная в существенных

структурных и минеральных преобразованиях осадочных горных пород и

преобразование их в метаморфизованные породы. Условия метагенеза

Главными факторами метагенеза являются повышенные температуры и

повышенные давления

Процессы:

- Перекристаллизация ранее образованных аутигенных минералов и глинистого

вещества;

- Растворение и перекристаллизация под давлением главных породообразующих

минералов осадочных горных пород;

- Образование новых парагенетических минеральных ассоциаций:

диоктаэдрическая слюда, серицит (мусковит), хлорит, кварц, карбонаты;

- Образование метаморфизованных осадочных горных пород, являющихся

переходными от осадочных к метаморфическим:

аргиллиты → глинистые сланцы → аспидные сланцы → филлитовидные породы,

песчаники → метапесчаники → кварцитовидные песчаники → кварциты,

известняки → кристаллические известняки,

доломиты → кристаллические доломиты,

антрациты → графитизированные антрациты

Mетагенез захватывает всю минеральную массу пород: глинистые минералы

преобразуются в слюдистые, гидроксиды алюминия – в корунд, гидрогётит – в гематит;

усиливается взаимное прорастание зерен друг в друга.

При этом слоистая текстура пород может сохраняться.

2.7. Схема преобразования органического вещества нефтяного ряда в стадиальном

литогенезе

Согласно осадочно-миграционной теории происхождения нефти в процессе

преобразования органического вещества при погружении его на глубину выделяют три

основные фазы (стадии и зоны): первая фаза – подготовительная стадия

нефтеобразования – газогенерирующая зона, соответствующая диагенезу и раннему

катагенезу, вторая фаза – главная стадия нефтеобразования – нефтегазогенерирующая

зона, отвечающая начальному этапу среднего катагенеза; третья фаза – затухающая

стадия нефтеобразования – нижняя газогенерирующая зона, соответствующая позднему

катагенезу (МК4-АК2).

Схема преобразования органического вещества приведена на рисунках 2.5-2.7.

16

Рисунок 2.5. Изменение органического вещества при диагенезе

Рисунок 2.6. Изменение органического вещества при мезокатагенезе

17

Рисунок 2.6. Изменение органического вещества при метагенезе