Диагенез глинистых отложений

Сразу же после отложения ила он подвергается химическим и минералогическим изменениям. Эти наиболее ранние процессы диагенеза часто хорошо заметны благодаря изменению окраски, что в некоторых случаях можно обнаружить уже через день-два после отложения осадка.
В минералах глинистых пород происходят изменения; иногда это частичные замещения ионов в кристаллических решетках, а в ряде случаев полное превращение минералов, например переход монтмориллонита в иллит (рис. 7.2). В некоторых отложениях осадочного бассейна на побережье Мексиканского залива (Gulf Coast) на глубине 1800 м монтмориллонит слагает 60% глинистой фракции. На глубине 4500 м содержание монтмориллонита уменьшается до 20%, вероятно, вследствие его превращения в иллит и смешанослойные минералы. Однако при этом предполагается, что изменения имеют существенно диагенетическую природу и не связаны с постепенными изменениями в питающей провинции. Из глинистых минералов могут выделиться большие количества межслоевой воды при чисто диагенетических изменениях, что приводит к созданию аномально высокого порового давления в осадке. Такие воды могут мобилизовать нефти и битумы и транспортировать их в соседние более проницаемые пласты.
В илах, содержащих пирит, окисление этого минерала приводит к образованию серной кислоты, которая затем воздействует на каолинит и обусловливает образование в том же месте червеобразного каолинита и диккита. Монтмориллонит может образоваться за счет галлуазита, а каолинит — за счет полевого шпата при воздействии кремнеземистых вод. Иногда часть ил-лита перекристаллизовывается с образованием крупных гексагональных чешуек размером в поперчнике 2 мм.
Глинистые минералы, вероятно, мигрируют в виде коллоидов на ранних стадиях уплотнения, когда пористость осадка еще достаточно высокая. Минералы смектитовой группы обычно наиболее подвижны и часто замещают кальцит в раковинах. Кандиты подвижны только в кислых водах в осадках, богатых растительными остатками.

Речные, озерные, эстуариевые и морские илы умеренных и тропических широт обычно содержат много органического вещества, что ведет к активному размножению микроорганизмов, среди которых наиболее обильны бактерии. Поверхностный слой ила, куда может попадать воздух, растворенный в покрывающих водах, обычно окислен, и в нем развиваются аэробные бактерии. Железо в этом слое обычно присутствует в виде лимонита, который придает осадку бурую или желтоватую окраску. На небольшой глубине от поверхности ила, иногда измеряемой всего долями сантиметра, циркуляция окисляющих растворов настолько сокращается, что начинают превалировать восстановительные условия, причем восстановительная обстановка усиливается в результате активной деятельности анаэробных бактерий. Сульфаты восстанавливаются, а органические вещества, как, например, протеины и углероды, разрушаются с образованием сероводорода и метана. Соединения железа восстанавливаются и преобразуются в сульфиды, причем сначала образуется коллоидальный FeS*Н2О, придающий осадку темную, часто черную окраску. Это соединение превращается в черный дисульфид — мельниковит, который на поздней стадии диагенеза (вероятно, в процессе консолидации) медленно преобразуется в пирит.
Уплотнение. После отложения из взвеси в воде глинистый осадок некоторое время остается в состоянии флюида. Составляющие этот осадок частицы обычно представлены мельчайшими чешуйками-кристаллами, каждый из которых покрыт пленкой адсорбированной воды; на этой стадии уплотнения частицы не соприкасаются одна с другой. На всю массу осадка приходится только 10—30% объема твердого вещества и можно говорить о том, что осадок имеет пористость 70—90%, причем большая часть порового пространства занята захваченной водой. Илы, содержащие много тонкорассеянного органического вещества, могут иметь первичную пористость более 90%. Флоккулированные осадки в общем имеют большую начальную пористость, чем дисперсные осадки (рис. 7.3).
Глинистые частицы начинают «приспосабливаться» одна к другой, что ведет к уплотнению каркаса, особенно в том случае, если осадок продолжает накапливаться. Свободная вода отжимается, так как более крупные поры уменьшаются в размерах, но все же осадок продолжает оставаться флюидным до тех пор, пока его пористость не станет равной 75% или менее.

При возрастании давления нагрузки вышележащих осадков происходит дальнейший отжим свободной воды и водные оболочки соседних зерен сближаются до тех пор, пока эти оболочки не придут в соприкосновение одна с другой. Отжим воды затрудняется по мере того, как уменьшается поровое пространство, так как сопротивление трению из-за ухода воды возрастает. Масса вышележащей толщи осадков теперь в основном поддерживается водными оболочками частиц, но при все возрастающем давлении нагрузки твердые частицы разрушают адсорбированные пленки в местах наибольшего давления и минеральные частицы начинают контактировать одна с другой. Водные пленки еще сохраняются на остальной части поверхности каждого зерна Полагают, что на этой стадии пористость осадка обычно составляет 30—35%
До сих пор уплотнение осадков осуществлялось в основном за счет удаления свободной воды, что сопровождалось механическим приспособлением твердых частиц Теперь значительная часть свободной воды удалена и дальнейшая консолидация осадка идет за счет удаления адсорбированной воды, деформации самих минеральных частиц (так как они уже непосредственно контактируют между собой) и осаждения хемогенного цемента
Физическая прочность глин является в основном функцией уменьшения порового пространства, что обычно является следствием давления вышележащего осадка.
Некоторые глубоководные пелагические илы часто оказываются более прочными, чем можно бы ожидать при данном давлении, и называются переуплотненными. По всей вероятности, переуплотнение этих осадков отражает малую скорость осаждения и большую скорость образования хемогенного цемента. Строго говоря, термин «переуплотненный», заимствованный из почвенной механики, следовало бы применять только к такому осадку, который подвергался большему давлению нагрузки, чем давления, которые сейчас имеют место на поверхности осадконакопления. Однако смысл этого термина стал более широким, поскольку он подразумевает также уменьшение порового пространства, обусловленное обезвоживанием, цементацией, очень сильным взаимодействием между частицами и другие факторы Например, верхние слои аллювиальных и сублиторальных илов в течение сухих климатических периодов становятся более твердыми, чем непосредственно нижележащий осадок, и их можно считать переуплотненными, т. е. они отвердевали скорее, чем это происходило бы в том случае, если бы осадок подвергался «нормальному» уплотняющему воздействию давления. Последующее осадконакопление может привести к захвату этих переуплотненных слоев толщей менее уплотненных осадков. Эти переуплотненные слои лучше всего видны в современных частично литифицированных осадочных породах; такие слои очень трудно обнаружить в полностью литифицированной толще осадков. С другой стороны, окаменение этого типа часто бывает обратимым и осадок снова размягчается, если в нем присутствует достаточно долго избыточная вода.
Быстро осевшие в мелководье глины могут оказаться близ поверхности осадка мягче, чем обычно, и они могут быть названы недоуплотненными. В этих случаях давление нагрузки передается в основном на поровую воду, а не на твердые частицы. Морские глины, отлагающиеся близ наступающего дельтового языка Бализе реки Миссисипи, в основном недоуплотненные. В периоды очень быстрого осадконакопления и возрастания давления нагрузки эти отложения часто разрушаются и текут. Образование трещин также имеет место, хотя эти трещины обычно залечиваются без сохранения зеркал скольжения.
Тиксотропия и расширение при деформации. Роль поровой воды при течении и консолидации ила всегда привлекала большое внимание исследователей, хотя выявить эту роль во многих случаях довольно трудно. Наука о течении материалов называется реологией, а изучение природных илов представляет собой просто один из небольших ее разделов. Тем не менее на основании лабораторных исследований известно, что если прочный, но неконсолидированный ил подвергнуть вибрации, он станет либо частично, либо полностью подвижным. В этих двух состояниях ил описывается соответственно как тиксотропная глина и золь, и они, по-видимому, возникают при изменении характера упаковки зерен. Эти изменения приводят к высвобождению поровой воды и сразу же делают ил более подвижным. В состоянии истинного золя ил течет при наименьших сдвиговых напряжениях. Когда вибрация прекращается, разжиженный ил снова становится прочным и повторно адсорбирует большую часть воды, высвобожденной ранее; говорят, что ил приобретает состояние геля. В этом состоянии течение будет происходить только в том случае, если повторно будут приложены вибрация или сдвиговое усилие, достигающие минимальной критической величины. Эта величина называется пределом текучести, и она закономерно зависит от таких факторов, как минеральный состав ила и характер упаковки зерен. Илы, богатые смектитами (бентониты), имеют низкий предел текучести — они быстро становятся жидкими при вибрации и равным образом быстро возвращаются к гелевому или прочному состоянию при прекращении вибрации. Илы, богатые иллитом, текут труднее, характеризуются более высоким пределом текучести.
Реотропные изменения могут ускоряться в присутствии подходящих электролитов, и известно, что илы в общем характеризуются более низким пределом текучести в морских водах, чем в пресных. Известно, что в глинах, которые поднялись выше уровня моря и из которых выщелочены морские соли, предел текучести увеличивается и пластичность уменьшается на 60%.
Осадки, которые имеют низкий предел текучести, обычно называются высокотиксотропными; большинство глин относятся к осадкам такого типа. Тот факт, что во многих мощных мезозойских горизонтах глин (Вилд-Клей, голт и фуллеровы земли южной части Великобритании) плохо выражена или почти отсутствует слоистость, может быть объяснен тиксотропностью глии, причем первоначальные плоскости напластования разрушались почти одновременно с возникновением поверхности осадков.
В то время как высокотиксотропные илы увеличивают свою подвижность при возрастании напряжения, имеются илы, подвижность которых при этом уменьшается. Считается, что такие илы увеличиваются в объеме при деформации. Если некоторые мягкие речные илы подвергнуть сжатию, вибрации или просто размешиванию, то они становятся относительно прочными, но быстро возвращаются в текучее состояние, когда напряжение снимается. Пока не ясно, какую роль играли эти процессы в древних илах. Вероятно, это обусловлено отсутствием каких-либо критериев для выявления этого процесса в осадочных породах.