Диагенез известняков

Процессы уплотнения и цементации в карбонатных отложениях настолько тесно переплетены, что их трудно разделить. Это обусловлено тем, что карбонаты очень легко осаждаются, растворяются и снова осаждаются. Арагонитовые илы несколько литифицируются при субаэральном высушивании и при постепенном превращении арагонита в кальцит вскоре после захоронения. Цемент обычно привносится в осадки на ранних стадиях, способствуя тем самым дальнейшему отвердеванию, как, например, в твердых горизонтах и пляжных известковистых песчаниках. В этих условиях первоначальная пористость 70% может быстро уменьшаться до 5% и менее, при этом уплотнение почти не играет никакой роли. С другой стороны, если перекристаллизация и цементация протекают с относительно небольшими скоростями, то может происходить переупаковка части зерен под давлением нагрузки с общим уменьшением объема осадка. Раковины могут разламываться, а в фекальных пеллетах, оолитах и пизолитах могут развиваться структуры обрастания.
Образование стилолитовых и микростилолитовых швов в известняках указывает на явления уплотнения, хотя остаются неизвестными ни глубина залегания пород, на которой эти швы возникают, ни причины преимущественного развития их в одних породах по сравнению с другими. Сутурные контакты, амплитуда которых иногда достигает нескольких сантиметров, а длина десятков метров, возникают в результате растворения под давлением. Нагрузка приводит к напряжению в местах контакта зерен, раствор проникает к контактам и карбонат, захваченный им, может повторно осадиться в виде цемента в соседних порах. Были высказаны предположения о том, что процессы растворения под давлением могут сократить мощность частично сцементированных известняков на 30—40%, однако эти цифры, вероятно, слишком завышены.
Различные стороны сложного процесса цементации карбонатов упоминались ранее в этой главе. Детали этих процессов все еще не ясны, и для подробного ознакомления с существующими точками зрения на эти процессы лучше обратиться к специальным руководствам. Здесь мы рассмотрим только некоторые общие положения.
В настоящее время процессы цементации протекают в различных обстановках — в субаэральных обстановках накопления капельников и каличе, в литоральных зонах, где главной цементирующей субстанцией является риф, и глубоководных обстановках отложения кальцилютитового ила. Во всех этих обстановках основные процессы цементации протекают одновременно с осадконакоплением или на самых ранних стадиях диагенеза. Однако процессы цементации, видимо, не прекратятся после того, как осадок удалится из зоны контакта с иловыми водами; дальнейшая цементация, вероятно, будет происходить под действием высокой нагрузки, под давлением толщи перекрывающих осадков.
Цементация не всегда представляет собой непрерывный устойчивый процесс. Перерывы распознаются по изменениям в химическом составе и морфологии карбонатных зерен или по характеру цемента, образовавшегося до и после некоторого события, например до и после растрескивания обломков раковин при уплотнении осадка. Продолжительность промежутка времени между отдельными стадиями цементации может варьировать от нескольких дней до нескольких десятков миллионов лет. Если эти промежутки очень длительны, то они могут быть обусловлены изменением уровня моря. Например, осадок, частично сцементированный в литоральной обстановке, может оказаться вне сферы влияния моря при падении его уровня и быстро попадет в зону действия процессов цементации в пресных и солоноватых водах.
Первичный источник цемента всегда представлял стержневую проблему, причем некоторые исследователи особый упор делают на прямое осаждение цемента из морской воды, другие — на растворение арагонитовых остатков организмов в верхних горизонтах карбонатного слоя и осаждение кальцита в нижних горизонтах. Растворение под давлением рассматривается как важный механизм цементации пород на поздних стадиях литификации. В некоторых каличе и калькретах источники цемента вообще неясны.
Утверждалось, что по типу первичной цементации можно судить об общих условиях осадконакопления. В зоне действия метеорных вод микритовый и микроромбический кальцит обычно осаждаются близ поверхности, а на больших глубинах осаждается шпатовый кальцит. В литоральных и сублиторальных зонах, иногда отличающихся большими колебаниями в солености вод, процессы цементации обычно приводят к образованию игольчатого и радиально-волокнистого микритового арагонита и магнезиального кальцита.
Много неопределенного имеется в вопросе о том, сохраняются ли различия между этими типами цементов по мере того, как порода постепенно литифицируется. Первичные цементы очень восприимчивы к изменению — они либо удаляются, либо замещаются другими цементами. Одним из обычных типов изменения цемента является неоморфная аградация, при которой образуются зерна крупнее первоначальных, а другой тип изменения — это неоморфная деградация, при которой происходит уменьшение размера зерен. Когда бы эти процессы ни происходили, это означает, что строение осадка и зачастую его минералогия изменяются; иногда эти изменения могут быть очень глубокими. Хотя по некоторым признакам в шлифах можно различить такие новообразования, как секущие границы, в интерпретацию постседиментационных процессов и последующей эволюции известняков неизбежно вносится много субъективного Целесообразно было бы при изучении известняков всех возрастов принять, что строение породы в какой-то степени отличается от строения первоначально отложенного осадка, пока не будут получены данные, опровергающие это допущение.

В очень чистых извеетковистых отложениях, таких, как арагонитовые илы, тонкие частицы вулканического стекла иногда являются главной неизвестковой примесью. Этот факт имеет большое значение в связи с присутствием в некоторых чистых известняках аутигенного кварца и полевого шпата. Хорошо образованные кристаллы этих минералов могут составлять основную массу нерастворимого остатка. В докембрийских доломитах и известняках Скалистых гор в Монтане много ортоклаза, содержание этого минерала иногда достигает 40% (рис. 8.19). Кристаллы имеют неправильную форму, если они тесно упакованы, но во многих образцах они хорошо оформлены и явно росли в известняках, так как замещают такие первичные текстуры, как оолиты. Гораздо чаще аутигенный полевой шпат представлен альбитом, как, например, в докембрийских известняках Киддапах в Бенгалии и в нижнемеловых известняках Баварии (рис. 8.20).
Силицификация известняков, при которой карбонат кальция замещается кремнеземом обычно в форме кремней, отмечается очень часто. Источником кремнезема обычно являются органические остатки (спикулы губок, фрустулы диатомовых водорослей, радиолярии и т. д.) в известняках, и этот процесс заключается в растворении, сегрегации и повторном осаждении кремнезема. Известным примером могут служить окремнелые оолиты (рис. 8.21).

Во многих известковистых породах, которые претерпели частичное окремнение, замещению кремнеземом подверглись только окаменелости, тогда как основная масса породы оказалась незатронутой этим процессом. Там, где окремнение было наиболее интенсивным, в первую очередь замещался матрикс породы, что приводило к образованию роговика или кремня. В этом случае окаменелости, особенно окаменелости с плотными кальцитовыми раковинами, оказываются гораздо более устойчивыми к процессам замещения, чем матрикс. Например, во многих криноидных кремнях каменноугольных слоев Йордейл в северной Англии неизмененные фрагменты криноидей распределены в кремневых прослоях и желваках таким же образом, как и в неокремнелых известняках. Каналы в чешуйках криноидей в кремнях Йордейл полностью заняты кальцитом, а не кремнеземом; этот факт весьма примечателен, так как он свидетельствует о том, что цементация осадка началась прежде, чем он подвергся окремнению.
Подобный вывод напрашивается при изучении кремней в доломитах. Например, в кембрийских известняках Дурнесс в северо-западной Шотландии процессы окремнения не затрагивали доломитовые кристаллы в слабо доломитизированных известняках. Эти мелкие доломитовые ромбы очень хорошо видны в кремневых прослоях, а их распределение в неокремнелых известняках воспроизводит картину выщелачивания кальцитового матрикса. Окремнение произошло только после того, как породы были в некоторой степени доломитизированы. В других случаях окремнение, вероятно, имело место в то время, когда еще протекали процессы доломитизации.

Известняки, через которые просачивались воды, несущие фосфаты, выщелоченные из перекрывающих отложений гуано, часто фосфатизируются в результате метасоматического замещения вдоль некоторых зон или в изолированных карманах. Там, где фосфатсодержащие растворы воздействовали на известняки, образовались фосфаты кальция — коллофан Ca3(PO4)2*H2O и даллит 4Са3(PO4)2*2СаСО3*H2O.
Примеры известняков, фосфатизированных под воздействием метеорных вод, известны на островах Сомбреро, Мона и Монета в Вест-Индии и на острове Ремире в Индийском океане. В фосфатизированный трахит и коралловые породы на атолле Клиппертон в северной части Тихого океана фосфат поступал в форме аммониевых солей в результате выщелачивания из гуано.