Диагенез осадков

Диагенез осадков вызывается следующими факторами: внешнее давление, сближающие частицы осадка между собой, наличие в его составе органического вещества и цементация имеющихся в нем пор.

Общие понятия

Магматические и осадочные горные породы в процессе своего существования могут претерпевать существенные изменения состава, структуры, текстуры, плотности сложения, сцепления между частицами и другие. В образовании и существование осадочных пород можно наметить три основных этапа:
1) отложения рыхлых осадков; на этой стадии формирования глинистые осадки образуют илы, а песчаные-неустойчивые отложения с чрезвычайно высокими коэфициентами пористости( седиментогенез);
2) рыхлые осадки, отложенные в начальной стадии, уплотняются и образуют связные ( глинистые) и раздельнозернистые ( песчаные и крупнообломочные ) осадочные нескальные породы ( сингенез);
3) в нескальных породах образуются жесткие необратимые связи , обусловливающие их переход в состоянии скальных пород ( диагенез).

Основными факторами, вызывающими процессы диагенеза являются : внешнее давление, сближающие частицы осадка между собой, наличие в его составе органического вещества и цементация имеющихся в нем пор. Процесс цементации может протекать в двух формах. Так, в морских отложениях цементация породы идет обычно одновременно ( сингенетично) с ее отложением; в первую очередь это относится к породам химического и органического происхождения , таким, как мел, известняки, диатомит и другие. В континентальных отложениях действие внешнего давления и привнос цементирующих веществ появляются, как правило, значительно позднее отложения осадочной породы;

Цементация в таких случаях будет последующая, эпигенетическая, характерная для отложений крупно- и мелкообломочных осадочных пород.Как показывают геологические исследования, в случае лтсутствия необходимых условий процесс диагенеза вообще может не возникать и отложенные осадки продолжают сохранять свойства нескальных пород на протяжении многих миллионов лет.Изменения в строении и других свойствах горных пород, вызванные действием сил внутренней динамики земли, называются метаморфизмом.

Диагенез уплотнения

В процессе накопления осадков нижние слои уплотняются в результате давления образующихся верхних слоев ; происходит все большее сближение между частицами породы. Первоначально такое сближение вызывает только уменьшение коэффициента пористости и увеличение плотности.На этом этапе осадочные горные породы существуют в форме отложений крупных обломков, песков, супесей, суглинков и глин.Однако на известном пределе увеличение плотности сложения вызовет изменение их агрегатного состояния.Рассмотрим какую-либо глинистую породу, состоящую из минерального скелета и пор, частично заполненых водой и частично воздухом.

Такое состояние характеризуется двумя выражениями : G <1 и e=ρуд W/Gρв, где е-коэффициент пористости; ρуд -плотность вещества минерального скелета породы, г/см ³;W-влажность породы , доли единицы; ρв-плотность воды, г/см³;

Под действием возрастающей внешней нагрузки плотность породы увеличивается и объем пор уменьшается за счет выдавливания порового воздуха.При этом коэффициент влажности увеличивается , а величина влажности в основном остается почти неизменной. Когда объем пор уменьшится настолько, что коэффициент влажности станет равным единице, характер уплотнения изменится.Теперь коэффициент влажности будет оставаться неизменным и равным единице, а дальнейшее уплотнение вызовет выдавливание поровой воды и, следовательно уменьшении величины влажности.

При этом величина влажности может уменьшиться настолько, что станет равной величине максимальной молекулярной влагоемкости и глинистая порода перейдет в состоянии твердого тела.Простой расчет показывает, что величина давления, обуславливающая переход глинистой породы в состояние твердого тела, сравнительно невелика и должна составлять несколько мегапаскалей(МПа).Полагая объемную массу глинистой породы примерно равной 2,0 Г/см³, можно вычислить, что необходимое давление будет создаваться слоем осадка мощностью от 200 до 2000 м.

Рисунок-1. Схема воздействия между внешней нагрузкой, силами расклинивающего действия пленок связанной воды и силами молекулярного притяжения ( по Н.М.Герсеванову).

Установлено, что чем больше степень уплотнения породы, тем менее обратим процесс уплотнения. Малоуплотненная порода при снятии нагрузки и последующем увлажнении легко разуплотняется; сильноуплотненная после снятия нагрузки почти не поддается увлажнению и не разуплотняется при условии, если ее влажность не превышает максимальной молекулярной влагоемкости и коэффициент влажности равен единице.Это объясняется тем, что при сближении частиц породы увеличивается сила их взаимного молекулярного притяжения.

Вокруг частиц породы имеется силовое поле.Если в результате сближения между частицами породы расстояние между ними станет равным удвоенному радиусу влияния силового поля, то возникает сцепление уплотнения.Н.Я.Денисов называет такое сцепление первичным и указывает, что оно отражает способность частиц породы вступать между собою во взаимодействие вследствие проявления молекулярных сил.Эта способность частиц зависит от их формы и размеров и начинает существенно проявляться при величине не более 0,005 мм.Чем меньше размеры частиц, тем больше их способность вступать во взаимодействие, дающие начало первичному сцеплению .

Для частиц крупнее 0,005 мм взаимодействие сцепления становится практически ничтожным, поэтому первичное сцепление возникает в глинистых грунтах и не возникает в песчаных. Процесс уплотнения может быть объяснен из рассмотрения схемы, представленной на рисунке-1.Внешняя нагрузка Р вызывает сближение частиц А и Б и выдавливает часть пленочной воды из пор, которая займет положение dbc. Равнодействующая сила bg и bi, представленная вектором bf, стремиться расклинить частицы и втянуть воду обратно в пространство между ними.Расклинивающее действие сил bg и bi уравновешивается действием внешней силы Р.

Если силу P удалить, то частицы А и Б должны были бы раздвинуться на прежнее расстояние.Однако силы сцепления Рε, возникшие при ближении частиц частично уравновесят действие сил bg и bi и часть их расклинивающего действия будет погашена.Чем больше сблизятся частицы А и Б, тем больше будут силы Рε и тем меньше воздействие расклинивающих сил bg и bi. Когда сближение частиц станет таким, что Рε полностью уравновесят силы bg и bi , уплотнение породы станет необратимым.При этом следует отметить, что силы молекулярного притяжения являются поверхностными силами, пропорциональными площади соприкасания частиц породы .

Плоские чешуйки глинистых частиц образуют относительно большие поверхности контакта, в то время как у шаровидных песчаных частиц могут быть только точки контакта. Этим и объясняется возникновение первичного сцепления у глинистых пород и отсутствие его у песчаных.

Диагенез цементации

Вода перемещающаяся в порах свежеотложенной породы, содержит мельчайшие взвешенные частицы минералов и с этой точки зрения может рассматриваться как суспензия той или иной концентрации.если частицы минералов взвешенные в воде, коллоидномелкие, то она будет обладать свойствами коллоидного раствора. В воде могут содержаться ионы растворенных веществ, и тогда она приобретает свойства истинного раствора и, в частности свойства электролита.

Взвешенные в воде частицы минералов закупоривают наиболее тонкие поры. Коллоидномелкие частицы размерами менее 0,001 мм адсорбируются частицами породы и, оседая на их поверхности, образуют пленки- гели.У коллоидных частиц имется также способность к взаимной адсорбции, вследствие чего образуются гелевые агрегаты.Заполняя поры породы, пленки и гелевые агрегаты играют роль цемента, склеивающего частицы породы в одно целое.Ионы растворенных веществ вступают в физико-химическое взаимодействие с частицами породы и образовавшимися гелями.

В результате взаимодействия с веществами, привнесенными водой, между частицами возникают необратимые жесткие связи и порода из нескальной преобразуется в скальную.Процесс склеивания частиц называется цементацией а вещества, определяющие действие этого процесса -цементирующими.Процесс цементации не всегда осуществляется и не зависит от возраста осадочных пород.Известны древнейшие песчаные и глинистые отложения, полностью сохранившие свойства несцементированных пород(глины кембрия).

Цементирующие вещества могут быть кремнистыми , известковыми, магнезиальными, железистыми и другими .Наиболее прочной является цементация кремнистыми веществами а наиболее слабой -глинистыми.Химизм цементации многообразен и в основном зависит от состава растворенных в воде солей. В морских отложениях он обусловлен наличием в морской воде сернокислых солей калия, натрия, кальция и магния типа Rn(SO4), где R-соответствующий метод, а n-его содержание.

Водоросли и планктонные организмы, сгнивкающие на дне моря в условиях недостатка кислорода, отщепляет его из сернокислых солей. В результате реакций, идущих по схеме 2C+Rn(SO4)=2CO2=Rn(s), образуются окись углеродаи нестойкие сульфиды.Вторичная реакция происходящая с присоединением воды, идет по схеме СO2+Rn(S)+H2O=Rn(CO3)+H2S.Получение карбонаты калия и натрия переходят в раствор, а карбонаты кальция и магния образуют цементирующее вещество.

Сероводород поднимается вверх и, встречая слои воды, богатые кислородом, может выделять чистую серу. При большем обогащении кислородом образуется серная кислота, которая в свою очередь реагирует с углекислым кальцием, образуя гипс: H2SO4+ CaCO3+2H2)=CaSO4 x2H2O+CO2+H2O
Твердеющие кальциты, магнезиты и гипсы прочно связывают между собой частицы осадочных пород. Наличие в морской воде хлоридов в частности хлорида магния, способствует образованию доломита и доломитного цемента.Реакция замещения при этом следующая:

2СaCO3+MgCl2=CaCO3 x MgCO3+CaCl2; Хлористый кальций хорошо растворим в воде и уносится водными течениями.Постепенная доломитизация известняка представляет собой медленный процесс, совершающийся в течении очень длительного времени.
Образование доломитов расширяет понятие диагенеза, как процесса в котором кроме самой цементации, возможно преобразование цементирующего вещества или цементирующей породы. Цементация континентальных отложений зависит от состава подземных вод, циркулирующих в порах породы, и от примесей содержащихся в атмосферных осадках. Химические реакции, вызывающие выделение твердеющих веществ, примерно такие же, как и в морских отложениях.

Выпадающие в пресных водоемах окиси железа Fe2O3 постепенно переходит в закиси железа FeO с образованием болотных и озерных железных руд.Железистые соли, цементируя песчаные отложения, превращают пески в прочный железистый песчаник, известный под названием ортштейна .Процесс диагенеза сопровождается перекристаллизациейпороды и цемента и образованием конкреций.Следует отметить, что описанные в статье: Геологическая деятельность морей и океанов процессы образования каустобиолитов в значительной части можно также отнести к диагенезу отложений органических остатков.

Перекристаллизации особенно подвержены отложения органогенного и химического происхождения, главным образом карбонатные и кремнистые. Неравномерное выпадение цементирующего вещества вызывает образование отдельных стяжений, отличных по своему составу от самого осадка.Иногда такие стяжения образуются вокруг какого-либо скелетного остатка или в полостях горной породы вокруг песчинок.Образовавшиеся стяжения имеют округлую, чаще неправильную форму, обусловленную формой пустот, в которых они образовались.Такие стяжения называют конкрециями.

По составу конкреции бывают опаловые, халцедоновые, железистые, кварцевые, фосфатные, пиритовые и гипсовые. В дальнейшем в породах, подвергшихся диагенезу, возможны явления старения коллоидов , образование более устойчивых минеральных модификаций взамен менее устойчивых и химическое взаимодействие между частицами породы и привнесенными растворами. Связанное с этим замещение одних минералов другими относится уже к явлению метасоматоза, который будет описан в следующем параграфе.Схема взаимной связи между генезисом и составом сцементированных осадочных пород показана в таблицах 1 и 2.

Таблица-1. Схема взаимной связи между составом и генезисом сцементированных обломочных и глинистых пород( по Е. М. Сергееву).

Таблица-2. Схема взаимной связи между составом и генезисом сцементированных химических и органогенных пород

Механические характеристики сцементированных осадочных пород

В процессе диагенеза между частицами породы возникают цементационные связи, прочность которых определяется прочностью цементирующего раствора. В зависимости от состава цементирующее вещество может вступать во взаимодействие с водой, насыщающей породы, поэтому прочность сцементированных пород после водонасыщения может уменьшаться.Как уже было сказано, размягчаемость горных пород при водонасыщении характеризуется коэффициентом размягчаемости. При величине коэффициента размягчаемость ηp< 0,75 породы следует относить к полускальным.

Для характеристики прочности сцементированных осадочных пород и отнесения к группе скальных или полускальных важнейшее значение имеет их генезис.Для сцементированных обломочных пород, в которых процесс цементации протекает эпигенетично, прочность и размокаемость породы определяются цементирующим веществом и типом цементации : базальным, поровым или контактовым.В породах химического и биохимического происхождения процесс цементации идет сингенетично с образованием самой породы. Химический состав цементирующего вещества часто близок к химическому составу породы.

Таблица-3. Механические характеристики сцементированных осадочных пород.

Все это создает условия однородности свойств породы и ее инженерно-геологические характеристики в равной мере зависят как от цементирующего вещества, так и от вещества цементируемых частиц. Важнейшие характеристики некоторых сцементированных осадочных пород приведены в таблицу-3. Происхождение, тип цементации и условия образования резко сказываются на свойствах сцементированных пород.

По данным Ф.П. Саваренского можно составить таблицу, характеризующую большие колебания в прочности и коэффициенте размягчаемости известняков ( таблица-4).

Таблица-4. Сравнительные характеристики некоторых известняков

Приведенные данные показывают необходимость тщательного изучения свойств сцементированных пород и изменений этих свойств при водонасыщении. Следует отметить, что ослабление цементационных связей при водонасыщении часто сопровождается образованием подвижных водно-коллоидных связей.Вследствие этого полускальная порода начинает обладать некоторыми промежуточными свойствами между породами скальными и связными.