Диагенез. Геохимические фации

Диагенез - стадия становления твердой горной породы из веществ, которые принесены и осели на дно бассейна, ее превращение в камни. Первоначальная пористость такого вещества, т.е. заполнение водой, составляет в песках до 40%, а в легковзмучиваемых илах - более 80%. В придонном осадке собираются разнородные компоненты, образующие крайне химически неустойчивые и динамически неравновесные смеси. Их компоненты поэтому начинают реагировать друг с другом что является типичной особенностью диагенеза. В осадках собираются измельченные обломки устойчивого кварца, переходящих в глину полевых шпатов, мелкодисперсные глинистые частицы и органические остатки, создающие восстановительную обстановку, которая уже на глубине нескольких сантиметров сменяет окислительную обстановку поверхности. Вся эта химически неравновесная смесь – царство живых организмов: илоедов, моллюсков и, главное, бактерий, количество которых достигает миллионов на грамм осадка. Бактерии перерабатывают органические вещества и поэтому диагенез –это мир избытка СО₂, СО, Н₂S, которые выделяются из погибших и разлагаемых бактериями организмов. Практически почти все диагенические процессы, включая переход полевых шпатов в каолин - это биогенные, бактериальные процессы. В отличие от кислотно – щелочного потенциала, который формирует обстановку в бассейне осадконакопления, в малоподвижном осадке решающим оказывается окислительно-восстановительный потенциал Еh. Он определяет, с одной стороны, количество растворенного окислителя кислорода, а с другой -восстанавливающего органического вещества. Их соотношения образуют прерывистый ряд, каждому из звеньев которого соответствует ассоциация процессов, приводящих к парагенезам разных закономерных групп минералов.

По-видимому, в стадии диагенеза происходит переработка и разложение осадка бактериями и илоедами, растворение и вынос неустойчивых частей, восстановление или, напротив, окисление принесенных минералов. Образование устойчивых минеральных новообразований, их кристаллизация и перекристаллизация, уплотнение осадка и, как внешнее проявление, превращение рыхлого осадка в плотный крепкий камень. Именно во время диагенеза предопределяется дальнейшая судьба органического вещества: или его окисление в углекислоту или сохранение и в дальнейшем переход в углеводороды.

Л.В. Пустовалов ввел понятие «геохимические фации», положив в основу описания формирующихся парагенезов минералов величину Еh. Позже была предложена схема, учитывающая соотношение Eh и рН. Подход Л.В. Пустовалова удобен для нефтегазовой геологии. Упрощенно можно выделить три группы геохимических фаций: окислительные, нейтральные и восстановительные.

Окислительная обстановка. Зеленые растения выделяют кислород, создавая окислительную обстановку на поверхности Земли, где и преобладают окислительные фации. Это та обстановка, где мы живем - суша и мелководные бассейны. Осадок содержит свободный кислород, и органическое вещество «выгорает», переходя в углекислый газ, поэтому в нем не сохраняются продукты, исходные для углеводородов.нефти. Железо здесь окисленное до трехвалентного, ржавое, красное или бурое, что и определяет окраску пород, сформировавшихся в окислительной фации.

Нейтральная геохимическая фация связана со слабовосстановительной, но здесь гидроокислы железа не осаждаются, поэтому породы нередко белые. Пример - пористые известняки - ракушники из Мангышлака, которыми облицованы некоторые коридоры и белый мрамор пола нашего института.

Слабовосстановительная глауконитовая фация, для которой характерны зеленые минералы, который дало ей двухвалентное железо в составе силиката глауконита. Органическое вещество здесь «выгорает» полностью.

Восстановительная обстановка формируется в осадке в более глубоком бассейне, куда не проникает растворенный в воде кислород, или где, как например, в торфяном болоте, углерод в составе органического вещества сохраняется. Такие породы, погрузившись позже на глубину 2-3 км, преобразуются, а органическое вещество переходит в уголь, нефть и газ. Это - нефтематеринские (нефтепродуцирующие) породы. Умирая, живое вещество оказывается сильным восстановителем. Каменный уголь необходим при выплавке железа не только как источник тепла, но и как сильнейший восстановитель.

В природе в восстановительной же обстановке, которая обычно обусловлена избытком органического углерода, ионы железа восстанавливаются до двухвалентного, закисного, которое в малых количествах дает породе зеленый цвет, а если углерода много, то осадок – черный.

Сидеритовая фация названа по характерному для нее карбонату двухвалентного железа FeCO₃. В этих условиях часть органики «выгорает», а образовавшееся СО₂ соединяется с железом. Породы сидеритовой фации серые. Сохранившееся в сидеритовой фации органическое вещество дает материал для углеводородов. На основании присутствия сидерита была предсказана нефтеносность девонских осадков Поволжья.

Сероводородная фация сильно восстановительная, в ней формируются черные породы. Поскольку в живом веществе много серы, то она соединяется с двухвалентным железом, образуется пирит, формируются нефтематеринские или нефтепродуцирующие формации. Такие осадки формируются сейчас в Черном море, таковы и черные юрские глины, обнажающиеся под Москвой в Коломенском и Кунцево.