Читая каменную летопись Земли... - Александр Конюхов

По мере погружения в недра давление вышележащих осадков все более возрастает. Чешуйки глинистых минералов плотнее соприкасаются друг с другом, а седиментационная вода полностью изгоняется из глины. Количество вытесняемой воды по мере возрастания геостатического давления (давления вышележащих отложений) со временем уменьшается. В целом процесс уплотнения глинистых осадков описывается гиперболической кривой, отражающей следующую закономерность. В начале процесса окаменения при небольшой нагрузке вышележащих наносов осадок теряет много влаги; в дальнейшем же увеличение нагрузки на порядок, а потом и на два дает все более скромный результат. Это и понятно, так как в глине остается со временем все меньше свободной воды, а та, которая в ней находится, связана с чешуйками слоистых минералов различными силами, т. е. является адсорбированной. Чтобы преодолеть эти силы, требуется все большее давление и, кроме того, более высокая температура среды.

На определенном этапе глинистый осадок теряет способность течь и формоваться (из него не вылепишь фигурки, не сделаешь какую-либо форму), а через некоторое время и вовсе перестает размокать в воде. На этом завершается превращение осадка в породу. Стадия диагенеза пройдена. В обычных условиях это происходит при погружении в недра на глубины 500–800 м. Плотность глины, в начале процесса уплотнения не превышавшая 1,4–1,5 г/см3, возрастает до 2–2,1 г/см3. Соответственно пористость уменьшается с 60–70 до 18–20 %. Чешуйки глинистых минералов плотно прилегают теперь друг к другу, словно кирпичи в фундаменте дома, между которыми почти не остается зазоров. Глина становится непроницаемой для флюидов, даже для многих газообразных, исключая метан.

Мы так подробно описываем диагенез глинистых осадков потому, что они в количественном отношении преобладают в осадочных разрезах земной коры. К тому же процессы окаменения протекают в них дольше, нежели в других образованиях, литификация которых заканчивается обычно раньше. На фоне длительного уплотнения глин, продолжающегося нередко миллионы лет, особенно быстрыми кажутся диагенетические трансформации кремнистых осадков. С этим явлением столкнулись буровики с американского судна «Гломар Челленджер» в начале осуществления программы глубоководного бурения в океанах. Среди рыхлых и слабоуплотненных образований, слагающих верхний слой чехла абиссальных котловин, бур то и дело натыкался на крепкие породы. При их преодолении снашивались или сбивались коронки. Тогда, в конце 60-х — начале 70-х годов, еще не был разработан механизм смены бурового инструмента в море, позволяющий продолжать бурение ствола в той же точке, где оно было приостановлено. По этой причине проходка многих скважин прекращалась задолго до достижения расчетной глубины. Оказалось, что бур натыкался под дном морским на горизонты крепчайших кремней, наличие которых в разрезе прекрасно фиксировалось сейсмическими методами. Эти кремни были, по существу, уже породой, тогда как окружавшие их осадочные образования находились еще в процессе окаменения.

Стоит напомнить, что кремнистые осадки изначально сложены скелетными остатками кремнестроящих организмов — диатомей, радиолярий, силикофлагеллят и др. Эти осадки характеризуются высокой пористостью и служат каналами для выведения воды, которая выдавливается на соседних, более тонких по размерности отложениях. Вода эта поначалу недосыщена кремнеземом, поэтому растворяет многие органические остатки. Часть растворенного кремнезема оседает тут же в поровом пространстве осадка. Затем из окружающих илов начинает поступать вода, обогащенная кремнеземом, так как там с течением времени происходит разрушение ряда малоустойчивых минералов, содержащих в структуре кремний. Вследствие изменений pH и Eh на границе двух сред кремнезем оседает в горизонте-коллекторе, В результате этого последний быстро теряет проводящие свойства (проницаемость) и трансформируется в непроницаемые и очень плотные образования — кремни. В этом случае переход от осадка к породе произошел не столько из-за уплотнения, сколько в результате процессов перерастворения и осаждения вещества, часть которого привнесена извне, из соседних горизонтов разреза.

Таким образом, диагенез — это не только уплотнение, но и сложный ряд физико-химических реакций, приводящих к перераспределению вещества как внутри осадков одного типа, так и между осадками разного состава. Осаждение новых минералов из иловых (седиментационных) вод особенно часто наблюдается на границе между двумя разными типами осадков. Здесь же садятся многие растворимые фазы, мигрировавшие вместе с вытесняемой водой. Например, под прослоем вулканического пепла в колонках осадков из Ионического моря очень часто обнаруживается прослой фиолетового цвета, обогащенный оксидами марганца, выделившимися из поровых вод. Толщина таких прослоев может достигать 3–5 см.

В других условиях на границе между пластами разного состава, а иногда и внутри самих пластов начинается формирование конкреций. В одно место как бы стягиваются вещества, находящиеся в избыточной концентрации в перовой воде. Вокруг определенного центра, которым может оказаться линза грубого материала или карбонатная раковина, образуется «рубашка» карбонатного, кремнистого или железистого состава. За одним слоем с течением времени нарастает другой, и постепенно за тысячи лет возникает очень плотное осадочное образование шаровидной или дискообразной формы с размерами от нескольких сантиметров до полуметра в диаметре. По плотности и крепости конкреция резко отличается от вмещающей породы. Если она сформировалась в еще мягком осадке, т. е, в диагенезе, то границы пласта, в котором расположена конкреция, над ней и под ней изгибаются. Пласт как бы раздувается в толщину в этом месте.

Интересно, что в глубоководных условиях, главным образом на подножии континентальных склонов и в абиссальных котловинах океана, уплотнение многих осадков, в первую очередь глинистых, происходит гораздо медленнее, чем на континенте или на его подводном продолжении, хотя на осадок здесь давит огромный столб воды (4–6 тыс. даже 8-10 тыс. м, что соответствует 400-1000 атм). Превращение осадка в породу завершается в этих условиях на гораздо больших глубинах в недрах осадочного чехла: 1200–1500 м вместо 500–800 м на континентах. Описываемое явление получило название парадокса глубоководного диагенеза. Оно объясняется несколькими причинами, в частности затрудненностью оттока выдавливаемых из осадков седиментационных вод, так называемым взвешивающим эффектом и др. Важно отметить, что благодаря незавершенному диагенезу в океане встречаются очень древние осадочные образования, в том числе мелового и даже позднеюрского возраста (140-80 млн лет), которые все еще не преобразовались в породу. Такой феномен неизвестен на суше.

Пора зрелости

Осадок, став камнем, приобретает новые черты. У юноши в период возмужания появляются усы и борода, а вот в песках, еще недавно сыпучих и рыхлых, Армируется цемент. Благодаря ему они становятся породой — песчаником. В качестве цемента часто образуется кальцит, кристаллы которого вырастают в порах между зернами терригенных минералов в результате выпадения карбоната кальция из воды, постоянно мигрирующей по песчаникам. В недрах они служат коллекторами — проводниками флюидов. Формирование карбонатного цемента — это прелюдия к целой цепи превращений, происходящих в песчаниках в пору зрелости. К наиболее значительным относятся: новообразование глинистых минералов, вырастающих в крупных порах; разложение неустойчивых компонентов, например полевых шпатов, и коррозия кварцевых зерен; вдавливание этих зерен одно в другое на контактах; наконец, появление каемок обрастания вокруг кварцевых зерен. Изучение этих явлений важно потому, что все они влияют на структуру порового пространства, ведь песчаники служат коллекторами не только воды, но также нефти и газа.

Изменения, наблюдающиеся в песчаниках, алевролитах и других обломочных породах, во многом обусловлены процессами, протекающими в их постоянных спутницах — глинах. Правда, глины, как разборчивые невесты, отдают иногда предпочтение известнякам или кремнистым породам. А вот песчаники с этими породами встречаются относительно редко. Так что песчаникам и глинам волею судьбы приходится сосуществовать. Глинам в этом союзе принадлежит главная роль. В зрелую пору песчаники явно находятся «под каблуком» у глин. Впоследствии распределение ролей между ними несколько меняется.

Глины, став породой, приобретают особую функцию, в чем-то сравнимую со способностью всего живого к деторождению. Многие из них, но далеко не все, при определенных обстоятельствах способны генерировать углеводороды, как жидкие (нефтяные), так и газообразные. Недаром геологи-нефтяники называют глины нефтематеринскими породами. Речь, конечно, идет о глинах, изначально обогащенных органическим веществом, иначе говоря, углеродистыми остатками растений и животных, содержащими как извлекаемые (фульво- и гуминовые кислоты, битумоиды), так и не извлекаемые растворителями компоненты. Последние названы керогеном, В его состав входят аминокислотные остатки, нуклеотиды, жирные кислоты, фрагменты клеточных мембран, в том числе целлюлоза, гемицеллюлоза и хитин. Органические соединения располагаются между чешуйками глинистых минералов и зачастую образуют с ними сложные органо-минеральные комплексы. Из них-то при определенных условиях и образуются углеводороды.