Читая каменную летопись Земли...

Конюхов Александр Иванович

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.

Способность глин генерировать микронефть не в последнюю очередь связана с выделением при катагенезе больших количеств воды, находящейся в особом переуплотненном состоянии, близком к состоянию жидкого кристалла. Как уже указывалось выше, вода эта заключена в межслоевых промежутках слоистых силикатов глин и в отличие от седиментационных вод, занимающих поры в осадке или породе, является чистой в химическом отношении. Это очень важное обстоятельство, ибо такая вода, да еще разогретая в недрах до температуры в несколько десятков, а то и до 100–150 °C, оказывается весьма агрессивным химическим агентом, обладающим повышенной растворяющей способностью.

Межслоевая вода образует своего рода слои близ поверхности трехэтажных пакетов разбухающих разностей глинистых минералов и связана с ней, а также с межслоевыми катионами определенными связями. Поэтому она очень устойчива по отношению к геостатическим нагрузкам и остается в межпакетных промежутках даже при давлении в несколько сот атмосфер. Нарушение структуры межслоевой воды вызвано повышением температуры в недрах. Известно, что, чем дальше в глубь земной коры, тем выше температура. В одних районах это повышение, называемое геотермическим градиентом, составляет всего 1–2° на 100 м, в других — на порядок выше. Геотермический градиент определяется тектонической активностью литосферы. На платформах он невелик, в передовых прогибах и меж-горных впадинах горно-складчатых областей обычно значительно выше. Но особенно резко с глубиной погружения осадков температура возрастает в районах рифтогенеза или раскрытия океанского дна. Например, в осадках Красноморского рифта уже на глубинах 0,3–0,5 км от поверхности дна температура, вероятно, достигает 80-100 °C. Отсюда следует, что одна и та же температура в разных регионах должна фиксироваться в совершенно различных диапазонах осадочного чехла.

Критической для межслоевой воды температурой считается 80-100 °C (до 120 °C). Упорядоченная структура этой воды разрушается, и она выходит из межслоевых промежутков в микропоры, еще сохранившиеся в глинистой породе. К этому времени они частично или полностью забиты вторичными минеральными образованиями или молекулами органического происхождения. Вода растворяет наименее устойчивые компоненты и выделяется из глины в песчаники или алевролиты. По ним она мигрирует в область разгрузки, где пополняет запасы грунтовых вод либо выходит на поверхность в виде родников и источников. По пути наверх из воды выделяются те минеральные фазы, которые были растворены в микропорах глинистой породы. Образуются и другие минералы. Поэтому пустотное пространство песчаников и других зернистых пород становится ареной новообразований. Здесь в микроскопических формах происходят, по существу, те же процессы, что и в подземных карстовых пещерах, где вырастают сталактиты и сталагмиты. Микрокристаллы и агрегаты минералов формируются в порах на путях миграции флюидов. Это удлиненно-пластинчатые иллиты и смектиты, прекрасно окристаллизованные шестигранные пластинки каолинита, которые наложены одна на другую и напоминают стопки монет. Реже встречаются веретеновидные сростки вермикулита, зато широко распространены яснокристаллический кальцит, ромбоэдры доломита, а вблизи границы раздела глина-песчаник выделения пирита, сидерита и других железистых минералов.

Случается и обратное. Чистая и агрессивная в химическом отношении межслоевая вода растворяет различные минеральные фазы в составе цемента. Может наблюдаться и коррозия породообразующих минералов — полевых шпатов, кварца и слюд. Возникающее при этом дополнительное поровое пространство называется вторичной пористостью.

Не менее фундаментальные превращения происходят в глинистых породах. По мере удаления межслоевой воды часть трехслойных пакетов со структурой смектита теряет способность к разбуханию. Эта перестройка сопровождается довольно сложными замещениями как в кристаллической решетке (часть кремния в тетраэдрах замещается алюминием), так и в межслоевых промежутках, где место кальция и натрия постепенно занимает калий. Он-то и стягивает «намертво» соседние пакеты. В промежутки, где засел К⁺, уже не могут проникнуть ни вода, ни тяжелые органические молекулы. В результате возникают минеральные структуры с промежуточными свойствами: хотя часть трехэтажных пакетов еще не утратила способности набухать, другие уже жестко сцеплены друг с другом. Подобные минералы, называемые смешанослойными, широко распространены в глинах на стадии катагенеза. По мере погружения в недра в их составе все больше увеличивается количество неразбухающих пакетов, построенных по типу иллита, и уменьшается доля разбухающих смектитовых разностей. К моменту завершения катагенетической стадии эволюции осадочных пород из глинистых образований полностью исчезают разбухающие фазы, а каолинит начинает превращаться в диккит.

Не менее серьезные трансформации наблюдаются и в других осадочных породах, в частности в известняках и силицитах. В известняках широким фронтом идет перекристаллизация первоначальных органогенных компонентов — раковин и других форменных элементов организмов, которая обычно сопровождается доломитизацией кальцита. Возникшие при этом кристаллы доломита занимают меньший объем по сравнению с кальцитом. В зоне больших температур и давлений, где под воздействием поровых растворов определенная часть кальцита растворяется, образуются зачастую новые пустоты, лишь отчасти занятые доломитом. Таким образом, катагенез — этап изменения осадочных пород при их погружении в зону воздействия повышенных температур и давлений — завершается значительными изменениями структуры и минерального состава этих пород. С катагенезом связано образование таких важнейших для экономики полезных ископаемых, как нефть и газ, появление (развитие) ряда оруденений, облагораживание углей.

Переход в новое состояние

При проходке глубоких поисково-разведочных скважин на нефть и газ в диапазоне 4–5 тыс. м начинают проявляться признаки старения осадочных пород. Для геологов-нефтяников они заключаются в резком сужении пор и сокращении порового пространства в горизонтах песчаников и алевролитов. Керн разделяющих их глинистых пород выглядит иначе, чем на глубинах 2–3 тыс. м. Плотность их резко возрастает (до 2,2–2,4 г/см³). Они покрываются микротрещинами, по которым крошатся на кусочки, легко раскалываются на пластинки в направлении слоистости. Такие породы полностью теряют способность к размоканию в воде. Их даже называют уже не глинами, а аргиллитами. В известняках вместо множества мелких зерен и обломков, разделенных пустотами, формируются крупные ясно очерченные кристаллы кальцита, плотно прилегающие друг к другу, а на их границах нередко возникают так называемые стилолитовые швы — структуры растворения на пути перемещения флюидов, а также микротрещины.