Диагенез песчаных отложений

Уплотнение. Уплотнение, или уменьшение объема, песков обусловлено в основном давлением вышележащих осадков, хотя степень уплотнения зависит от многих мелкомасштабных и крупномасштабных взаимосвязанных факторов, таких, как форма и размер зерен, сортировка, упаковка, минеральный состав и тектонические условия. В общем чем больше давление нагрузки, тем выше степень уплотнения; пористость при этом уменьшается.
После осаждения некоторые хорошо сортированные крупнозернистые пески могут иметь пористость 40—50%. После воздействия давления нагрузки и перераспределения зерен с образованием более плотной упаковки пористость песков может уменьшаться до 25—30%. Если в осадок попали также более мелкие зерна, то, поскольку они занимают промежутки между зернами, давление нагрузки может привести к уменьшению пористости уже до 15% и даже меньше.
В пределах нескольких метров верхних слоев свежеотложенных высокопористых и хорошо сортированных песков может развиваться поровое давление, превышающее давление нагрузки до тех пор, пока не наступит такое состояние, при котором малейшая вибрация приведет к массовому перемещению осадка. Таким образом, песок течет или разжижается; при этом отжимается флюид и зерна перераспределяются с образованием более плотной упаковки. Иногда вследствие высоких скоростей осадконакопления в быстро погружающихся бассейнах песок может захороняться настолько быстро, что его разжижения не происходит. Поэтому пески могут находить на глубине в переуплотненном состоянии при относительно высоком поровом давлении, и они никогда не уплотняются в той мере, в какой уплотнились бы при разжижении.
При обычных условиях уплотнение протекает путем более тесного состыкования отдельных зерен. В то время как в первоначально отложенном песке могут присутствовать зерна с небольшими или тангенциальными точечными контактами без взаимного проникновения границ зерен, в песке, захороненном под толщей осадков, может быть много более тесных, протяженных выпукло-вогнутых и микростилолитовых (сутурных) контактов. Однако следует учитывать, что первоначальная форма зерен в некоторой степени определяет природу контактов независимо от последующих изменений зерен под действием нагрузки.
При больших глубинах захоронения или в течение стадий заметных тектонических подвижек кварцевые зерна начинают скользить одно по другому, растрескиваются и расщепляются в точках соприкосновения и приобретают более плотную упаковку. Полевошпатовые зерна разрушаются легче, тогда как слюды, глинистые минералы и обломки пород изгибаются, скользят и действуют совместно с небольшим количеством порового флюида, как смазка. Аркозовые пески (15—25% полевого шпата) могут уплотняться значительно сильнее, чем кварцевые арениты (5% полевого шпата). Пески, богатые глинистыми минералами, и лититовые пески, например граувакки, при уплотнении могут уменьшаться в объеме на 40%. С началом пластической деформации, повсеместного развития трещин скалывания и грануляции, даже без увеличения степени уплотнения, породы переходят в стадию метаморфического преобразования.
Цементация. Пески с сообщающимися открытыми порами обычно литифицируются в результате цементации; цемент при этом осаждается из циркулирующих растворов или образуется в результате перераспределения вещества некоторых первичных компонентов, таких, как карбонат кальция или коллоидальный кремнезем. Количество цемента, необходимого для литификации какого-либо песка, обычно небольшое (5—10%), и образование таких количеств цемента во многих случаях может быть связано с перераспределением вещества в самом песке или с внедрением растворов, отжатых из прилегающих глинистых или известковистых пород при их уплотнении. Для того чтобы отжатые растворы действительно могли приводить к цементации песка, требуются большие количества этих растворов, свободное просачивание их и сохранение химической однородности в течение длительного времени.
Роль воды, обычного отжимаемого флюида, следует отметить особо, так как она обычно недооценивается во многих работах, посвященных диагенетическим преобразованиям. Будь то пресная, морская, метеорная, реликтовая или ювенильная вода — она является активным и изменяющимся веществом, которое оказывает заметное, если не главное, влияние на ход диагенеза. Вода реагирует со всеми материалами, с какими она соприкасается, и вследствие этого химизм воды изменяется, хотя и медленно. Концентрация растворов может понижаться или повышаться, может происходить селективное уменьшение или увеличение концентрации некоторых растворенных компонентов. Действительно, эти изменения могут быть такими, что химизм современных поровых вод, если он определим, может быть почти не связан с химизмом первоначальных вод. Поровые воды в морских отложениях, первоначально предположительно отделившиеся из моря, отличаются заметным дефицитом магния и увеличенным содержанием кальция по сравнению с морской водой. Имеются различия и в отношениях Na:К и Ca:Na. Некоторые из этих различий могут быть обусловлены процессами ионной фильтрации, которые, по-видимому, проявляются в тех случаях, когда уплотняются глинистые осадки и часть солей удерживается глинами. Изменения химизма вод также связаны с явлениями адсорбции, ионного обмена, колебаниями величин pH—Eh и с микробиологической деятельностью.
Иногда считают, что цементация песков может происходить только выше зеркала грунтовых вод, полагая, что активная циркуляция воды — необходимое условие для протекания этого процесса. Некоторые типы приповерхностной цементации известны в сухих районах или в районах с длительными засушливыми сезонами. В тех местах, где зеркало вод находится близко от поверхности, вода под действием капиллярных сил поднимается кверху и легко испаряется и если с раствором приносится какое-либо подходящее вещество, то приповерхностные слои (твердые корки) цементируются. Например, в Южной Африке приповерхностная цементация такого рода приводит к образованию очень прочных поверхностных кварцитов (кремнистые корки — силькреты), известняков (известковые корки — калькреты или каличе) и железняков (железистые корки). Осаждение гипса в засоленных участках и себхах Среднего Востока приводит к образованию гипсовых корок.
Конкреционные хлебные камни представляют собой ископаемые разновидности каличе, возникшие в результате почвообразующих процессов в полузасушливых условиях. Хорошие примеры таких образований встречаются в древних красных песчаниках Уэльского бордерленда, Шотландии и Ирландии и в нижней части каменноугольной толщи Шотландии.

Диагенез не приводит к преобразованию кварца в другие минералы, хотя весьма часто отмечается переход опала и халцедона в кварц. Такие изменения протекают одновременно с цементацией, причем опал и халцедон матрикса переходят постепенно в наросты аутигенного кварца, окаймляющие первичные кварцевые зерна. Такой кварцевый цемент обычно имеет одинаковую оптическую ориентировку с обломочными зернами (рис. 6.18 и 6.21), хотя он может состоять также из каемок тончайших кристаллов, окружающих обломки (рис. 6.19). Наконец, первичные поры породы могут выполняться агрегатами различно ориентированных мелких кристаллов кварца.
При кристаллизации вторичного кварца на первичных зародышах из песчаных зерен кристаллооптическая непрерывность нового и старого кварца выражается в их одновременном погасании при вращении шлифа в скрещенных николях (рис. 6.20 и 6.21).
Песчаники с такой структурой можно встретить в отложениях любого возраста. В песчаниках Бантер в северной Англии, которые местами состоят из хорошо округленных кварцевых зерен, образованных под действием ветра (так называемый просяной песок), видно, что оболочки вторичного кварца находятся в одинаковой оптической ориентировке с первичными зернами, окаймленными гидратированными окислами железа.
Там, где процессы такой цементации протекали достаточно долго, сцементированные зерна срастаются настолько тесно, что образуют сложные границы, не соответствующие кристаллическим граням.

Проблема происхождения вторичного, или аутигенного, кварцевого цемента обсуждается давно, однако все еще остается много нерешенных вопросов. Некоторые авторы предполагают, что кварцевый цемент может вполне образоваться за счет растворения под давлением первичных обломочных зерен кварца. Зерна кварца растворяются в местах их контактов, и кремнезем из раствора осаждается поблизости на тех же зернах в участках более низкого давления. Другие авторы предполагают, что растворение мелких зерен кварца (размером менее 0,02 мм), залегавших в промежутках между крупными, может привести к образованию «кремнеземистых флюидов» в рыхлом песке и к осаждению из этих флюидов вторичного кварцевого цемента. Девитрификация обломков вулканического стекла в песках почти несомненно дает дополнительный источник кремнезема для образования кварцевого цемента; источником кремнекислоты могут служить присутствующие всюду в песке глинистые минералы. Важным источником кремнезема в морских песках служат остатки таких организмов, как диатомовые водоросли, радиолярии и губки. При отмирании этих организмов химически неустойчивое вещество их скелетов из опалового кремнезема растворяется, обогащая поровые воды кремнеземом, который может почти сразу же осаждаться в виде вторичного кварца.
Осаждение кальцитового цемента связано в основном с увеличением отношения содержаний карбонат-иона и бикарбонат-иона в межзерновых водах; обычно это происходит либо при повышении температуры, либо при увеличении pH, что влечет за собой уменьшение растворимости кальцита.
Песчаники часто цементируются кальцитом. Если кальцит вторичный, то он обычно развивается после вторичного кварцевого цемента в той же породе. В таких породах кварцевые зерна иногда приобретают вторичную угловатость вследствие реакции между поровыми водами, богатыми карбонатами, и зернами. В шлифах видно, что кальцит корродирует кварц.
Относительные содержания кальцита и обломочного кварца, а также характер распределения кристаллов в цементе резко изменчивы. В слабо сцементированных песках, таких, как некоторые плейстоценовые пески Великобритании, песчинки просто окаймлены мелкими кристаллами кальцита; при этом они скреплены только в приконтактовых участках, и в породе сохраняются крупные поры. Между такими породами и породами, в которых поровые пространства нацело выполнены зернистым кальцитом, существуют постепенные переходы.
В известковистом песке, состоящем из кварцевых зерен и остатков раковин, давление перекрывающих осадков передается на контакты между соседними зернами. На контактах растворимость карбоната увеличивается, материал обломков раковин переходит в раствор и снова выделяется в виде кристаллического кальцита в открытых порах. Многие известковистые песчаники, по-видимому, литифицировались именно так. В некоторых случаях материал цемента в каждой отдельной поре представлен единым кристаллом, причем кристаллы в соседних порах ориентированы по-разному. Наиболее примечательная текстура наблюдается в тех породах, в которых довольно крупные кристаллы кальцита цементируют многочисленные песчинки кварца. Поверхность скола таких пород благодаря наличию многочисленных спайных поверхностей кальцита имеет характерный блеск, и каждый кристалл цемента более или менее хорошо виден при соответствующей ориентировке. Это явление известно как пятнистый блеск. Крупные кристаллы, играющие роль цемента, имеют неровные, волнистые или взаимопроникающие границы, но иногда кристаллы крупные и хорошо образованные и их легко выделить из плохо сцементированного ими песка. В Европе хорошо известны проявления таких кристаллов в олигоценовых песках Фонтенбло в Парижском бассейне. Кальцит здесь выделился в виде ромбоэдров, включенных в довольно рыхлые пески. В шлифах видно, что включенные в цемент обломочные зерна не имеют контактов между собой.
Железистый цемент (в основном гематит, турьит и лимонит) обычно развит в толщах красноцветных отложений (рис. 6.22). Окислы железа часто присутствуют в виде тонких оболочек на кварцевых зернах, и там, где происходило последующее окремнение пород, железистые оболочки часто захватываются кристаллами при их дорастании. С другой стороны, вторичный кварц сам по себе иногда покрывается оболочкой окислов железа и на этом основании можно различать последовательные стадии образования железистого и кремнистого цементов. Турьит (2Fe2O3*MH2O), который, по-видимому, представляет собой главный красный цементирующий материал в песчаниках Пенрит и Сент-Бис (пермь — триас, северо-запад Англии), вероятно, является первичным и образовался путем обрастания обломочных зерен в бассейнах отложения, где преобладал полузасушливый климат. Частично материал для образования турьита, возможно, был привнесен с соседних более влажных возвышенных участков, тогда как основная часть турьитового цемента, по-видимому, осадилась из капиллярных вод в бассейнах отложений.

Термин «красноцветные отложения» обычно применяется при описании мощных окрашенных в красные цвета континентальных обломочных толщ, часто молассового тина. Некоторые из самых древних красноцветов встречаются в докембрийских торридонских отложениях северо-запада Шотландии, в формации Cпaрагмит в Скандинавии и в слоях серии кивино в районе озера Верхнего. В отложениях всех геологических систем, от кембрийской до третичной, известны крупные толщи красноцветов. По-видимому, наиболее известны в северном полушарии девонские (фация древних красных песчаников) и пермо-триасовые (фация новых красных песчаников) красноцветы.
Содержание Fe2O3 в красноцветных песчаниках и алевролитах редко превышает 5% и часто составляет всего 1%. He все количество Fe2O3 присутствует в виде гематита, часть железа, по-видимому, входит в другие минералы, например в глины.
Сидерит, вероятно, значительно чаще присутствует в виде цемента, чем это обычно предполагается. В некоторых случаях можно почти уверенно говорить о том, что сидерит заместил более ранний кальцит. Интересная толща песчаников, цемент в которых представлен только сидеритом, описана в нижнелейасовых отложениях Швеции. Эти породы представляют собой мелкозернистые чистые песчаники, в которых встречаются неизмененные морские окаменелости, а сидеритовый цемент представлен тонкими желтоватыми кристаллами. При выветривании сидерит переходит в основном в красно-бурый лимонит. Вторичная красная окраска богатых сидеритом каменноугольных песчаников северо-восточной Англии связана с послекаменноугольным, но допермским выветриванием и обусловлена преимущественно таким изменением сидерита.
В триасовых песчаниках кейпера в окрестностях Ноттингема (Англия) в качестве цемента описан барит. Этот барит присутствует в виде микрокристаллических агрегатов, распределенных равномерно или в виде прожилков и пятен. Местами содержание барита достигает 50%, причем он слагает крупные участки с однородной оптической ориентировкой, и поэтому на сколе виден пятнистый блеск. Можно предполагать, что в большинстве случаев первичный цементирующий материал был представлен не сульфатом, а карбонатом (витеритом), отложенным из воды, в которой он присутствовал в виде бикарбоната, и что сульфат образовался в результате метасомэтического замещения карбоната.
Известны случаи образования изолированных кристаллов барита, включающих 40—60% кварцевых песчинок. Такие кристаллы и их сростки встречаются в нубийских песчаниках (карбон — мел) Египта.
Загипсованные песчаники, в которых цемент представлен гипсом, обычно формируются в засушливых и полузасушливых условиях. Такие отложения широко развиты на современных себхах в странах Среднего Востока, а также описаны в пустынях бывш. СССР и в Боливии. Во всех этих районах гипс обычно образует крупные кристаллические агрегаты, иногда с четкими кристалло-графическими очертаниями, включающими до 60% песка. Некоторые из таких кристаллических сростков называются «розами пустыни» (гипсовые розы) из-за их четкой лепестковидной морфологии.