Процессы уплотнения в стадии катагенеза

КАТАГЕНЕЗ

— один из выделенных Ферсманом в 1922 г. генетических типов хим. и физ.-хим. процессов в земной коре,протекающих в условиях низких температуры и давления. Отвечает той стадии в жизни осад, п., котораянаступает после диагенеза, но предшествует метаморфизму.

Давление вышележащих толщ по-разному действует на глинистые и зернистые, сцементированные и несцементированные породы. Глинистые породы, насыщенные водой, воспринимают нагрузку на твердые частицы — скелет и заключенную в порах воду. Под воздействием нагрузки вода медленно вытесняется из пор и частицы сближаются между собой. Постепенно давление на твердые частицы увеличивается и при полном отжиме воды полностью воспринимается ими. Этот процесс начинается еще

во время диагенеза, но благодаря небольшой мощности покрывающих осадков проявляется в самом зачаточном виде. До определенного предела процесс этот является обратимым: снятие нагрузки (при возможности фильтрации воды) приводит к увеличению пористости и влажности. После отжима гравитационной воды в породе сохраняется пленочная и гигроскопическая вода, прочно удерживаемая поверхностью частиц. Удаление этой воды происходит при значительно большем давлении. Экспериментальные исследования сжатия глин показывают,что свободная вода вытесняется при давлении 40—80 кг/см2 (соответствует глубине погружения 400—600 м), пленочная —при давлении до 3000—5000 кг/см2. В лабораторных опытах даже при давлении 5000 кг/см2 в глинах остается часть пленочной и гигроскопическая вода. Влажность каолинита и кембрийской глины, обжатых давлением 1000 кг/см2 была 7,8 и 7,0%. Так как эксперименты проводились с грунтовой массой — тесто из глины, замешанной с водой, то величина влажности представляет собой меру пористости. Давление 1000 кг/см2 соответствует погружению на глубину 4000 м. Определение пористости пород из буровых скважин на глубине 4000 м показало, что она, как правило, у глинистых пород не превышает 5%. Таким образом, мы видим только небольшие расхождения между лабораторными опытами и природными объектами, последнее, естественно, учитывая кратковременность лабораторных опытов. Фактор времени значительно сильнее сказывается при высоких давлениях. Кембрийская глина, обжатая нагрузкой 3000 кг/см2, имела пористость 7%, в то время как горные породы с глубины 10 000 л имеют пористость около 1%.Глинистые частицы имеют чешуйчатую или листоватую форму и под давлением ориентируются параллельно наиболее развитой поверхности (001), вследствие чего могут плотно прилегать друг к другу, образуя агрегаты с ничтожной пористостью.Глинистые и слюдистые частицы обладают также способностью к пластическим деформациям. Это очень хорошо проявляется в смешанных песчано-глинистых породах — деформации глинистых и слюдистых минералов между жесткими кварцевыми песчинками. В зернистых породах (песчано-алевритовых и др.) под давлением происходит уменьшение пористости благодаря смещению частиц. При укладке песчинок, имеющих форму идеального шара, по кубу пористость достигает 47,6%, при укладке по тетраэдру— 25,9% (пористость определялась путем расчета). Таким образом, пески под давлением стремятся уложиться по тетраэдру, занять минимальный объем. Параллельно с уменьшением пористости происходит удаление из пор воды. Давление нагрузки вышележащих толщ в зернистых породах с самого начала полностью воспринимается твердыми частицами — скелетом. При высоком давлении дальнейшее уменьшение пористости возможно за счет раздробления зерен. Увеличение давления на грубозернистый песок от 200 до 3000 кг/см- привело к тому, что количество фракции размером 2—1 мм уменьшилось с 90 до 30%, соответственно произошли изменения в других фракциях, а пористость уменьшилась от 48—36 до 28—21%.При обжатии песка давлением 530 кг/см2 зерен первоначального размера (1—0,5 мм) осталось только 55%- Песок, обжатый под нагрузкой 280 кг/см2 , уменьшил пористость на 6%, под нагрузкой 1960 кг/см2 — на 19%. Однако к оценке возможности раздробления зерен следует подходить осторожно, так как кварц и некоторые другие породообразующие минералы обладают высокой прочностью. Вероятно, раздроблению подвергаются зерна кварца и других минералов, прочность которых понижена благодаря наличию включений, трещин, спайности и т. п.В зависимости от формы и размеров поверхностей соприкосновения давление на контакте зерен может возрастать в десятки раз по сравнению с исходным. Особенно велико давление на точечных контактах зерен. Высокое давление на контакте зерен при наличии растворов способствует растворению и внедрению их друг в друга. Это

явление получило название гравитационной коррозии. Растворенное вещество осаждается на поверхности частиц, образуя регенерационные каемки и заполняя поры. Таким путем происходят конформация (приспособление поверхности зерен друг к другу—механическое и химическое с растворением), инкорпорация (внедрение одного зерна в другое) и образование микростилолитовых швов и микростилолитового сочленения зерен.

Растворению подвергается кварц, обломки эффузивов, вулканического стекла, различных кремнистых пород и др. Опыты по растворению кварца под давлением показали, что в чистой воде при давлении 100 атм, температуре 300° С растворяется 245 мг/л кварца. В воде, содержащей хлориды и бикарбонаты, при давлении 100 атм и 300° С растворяется 1887 мг/л кварца. В сцементированных породах давление передается на контакты зерен и цемент. Значительное уплотнение за счет уменьшения пористости здесь невозможно или происходит в весьма ограниченной степени (когда не все поры заполнены цементом).

При обжатии песчаника слабым давлением уплотнения не происходит, под давлением 560 кг/см2 (примерно соответствует погружению на 2000—2500 м) он уменьшается в объеме менее чем на 1%. При более высоком давлении возможно некоторое уплотнение за счет раздробления зерен и цемента. В зернистых породах с цементом из галита, гипса, кальцита цементирующее вещество, благодаря пластичности, течет в твердом состоянии, заполняя пустые поры. Аналогичное явление возможно в породах с глинистым цементом. В породах с кварцевым цементом уплотнение не наблюдается. Физико-механические процессы приводят к уплотнению горных пород — увеличению объемного веса и уменьшению пористости; одновременно уменьшается содержание воды и изменяется отношение пород к воде. Однако высокий объемный вес и малая пористость не всегда следствие одного уплотнения, а могут быть результатом полной цементации. Поэтому при систематизации и анализе результатов лабораторных исследований необходимо оперировать массовым материалом и средними цифрами. Плотность пород и отношение к воде являются важными константами, показывающими степень их изменения.Процессы уплотнения всех остальных пород происходят аналогично уплотнению глинистых либо зернистых пород, рыхлых или сцементированных. Так, например, бокситы и неокаменевшие мергели уплотняются аналогично глинистым породам, обломочные известняки и другие породы обломочного происхождения, состоящие из твердых зерен, — аналогично зернистым породам. Конечно, в процессе уплотнения каждой породы

проявляются свои индивидуальные черты, но принципиально это одни и те же явления.

Исключение составляют породы коллоидного генезиса и ископаемые угли. В первых (некоторые разности кремнистых, железистых и глинистых пород) первоначально отлагаются легко, деформируемые гелевые комочки и первичная пористость в осадке, вероятно, была незначительной. Старение коллоидов приводит к сокращению объема и появлению трещин синерезиса. Дальнейшая раскристаллизация переводит их в твердое состояние. Такие породы при высоком давлении не подвергаются уплотнению или уплотняются слабо. Превращение торфа и сапропеля в ископаемый уголь сопровождается очень большим уплотнением. Однако это уплотнение можно рассматривать как механический процесс только на начальной стадии. Дальнейшее уплотнение сопровождается дегидратацией молекул органических соединений, отщеплением боковых цепей и удалением летучих компонентов (процесс физико-химический).Таким образом, процесс уплотнения осадочных пород начинается как физико-механический и заканчивается как физико-химический. В одних случаях глинистые и зернистые породы уплотняются как породы несцементированные, в других — как сцементированные. Возможны и такие условия, когда в начальной стадии они уплотняются как породы несцементированные, а в конечной — как сцементированные. Уплотнение может замедляться и полностью приостанавливаться.