CC BY
24
УДК 551: 553.98 В.Н. Холодов1
УТОЧНЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ОСАДОЧНАЯ ПОРОДА» В СВЯЗИ С ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ НИЖНЕЙ ЧАСТИ СТРАТИСФЕРЫ2
Показано, что определение понятия «осадочная порода», данное классиками литологии (Л.В. Пустовалов, М.С. Швецов, Л.Б. Рухин, У.Х. Твонхожел и др.), не соответствует современному пониманию осадочного процесса, который охватывает не только поверхность планеты, но и глубокие области недр Земли с высокими термодинамическими показателями (давление до 8100 кгс/см2, температура 800—900 °С).
Ключевые слова: стратисфера, осадочная порода, стадии осадочного процесса, диагенез, катагенез.
In this article proposed a new definition of sedimentary rocks with calculation of their plunge in larger depths.
Key words: stratosphere, sedimentary rocks, new definition.
Введение. В работах Н.М. Страхова, например в [1957], неоднократно отмечалось, что в образо-
"3
вании осадочных пород выделяются пять стадий , условно распадающихся на два главных этапа — седиментационный и породообразующий.
На первом этапе в результате разрушения магматических, метаморфических и осадочных пород водосборов (выступы литосферы) формируются рыхлые осадки, дающие впоследствии начало осадочным горным породам. На втором этапе происходит их уплотнение и трансформация; вследствие реализации процессов диагенеза и катагенеза возникают различные типы осадочных пород.
Общеизвестно, что осадки, дающие начало осадочным породам, образуются в пределах зоны осадкообразования на границе литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы, в пределах континентального (149-106 км2) и океанического блоков Земли (361-106 км2). Здесь вблизи от поверхности планеты на континентах господствуют примерно стабильное атмосферное давление (около 1 атм или 100 кПа) и колеблющаяся температура (от —90 до +60 °С); в морях и океанах, наоборот, температура близка к стабильной (до глубины 200 м она отражает колебания температуры воздуха, а глубже меняется от 0 °С до —4°С), тогда как гидростатическое давление нарастает с глубиной в соответствии с градиентом 10 м столба воды — 1 атм; это означает, что на самой большой глубине в Тихом океане гидростатическое давление достигает 1090 атм. Таким образом, зона осадкообразования отличается довольно широким диапазоном колебания давления и температуры.
Геологические процессы, протекающие в зоне осадкообразования, создают слоистую осадочно-вулканогенную породную оболочку Земли, сложенную уплотненными и измененными образованиями. Эта прерывистая оболочка планеты, входящая в состав литосферы снизу и по латерали, ограничивается распространением метаморфических и магматических пород.
Впервые выделенная Э. Зюссом, В.И. Вернадским, Л.В. Пустоваловым и количественно исследованная А.Б. Роновым [1993] стратисфера отличается весьма высоким термодинамическими показателями. В пределах континентального блока на нижней границе стратисферы при средней мощности 5,1 км давление достигает 1850 атм, а температура близка к +150 °С. При максимальной толщине осадочного чехла (25—27 км) давление оценивается в 6000—7000 атм, а температура приближается к +800 °С, причем в этом случае четкая граница между осадочным чехлом и метаморфическими образованиями оказывается неустановленной. Обычно она условно проводится по предполагаемой границе фундамента платформы, хотя вполне вероятно, что зеленокаменные преобразования регионального метаморфизма захватывают здесь часть осадочного чехла.
Согласно представлениям Ф.Дж. Тернера [1951], Н.А. Елисеева [1959], Ф.Дж. Тернера и Дж. Ферхугена [1961] и других исследователей, граница между низкотемпературной и высокотемпературной фациями зеленых сланцев лежит на рубеже образования мусковит-хлоритовой и биотит-хлоритовой ассоциаций аутигенных минералов в глинистых толщах.
1 Геологический институт РАН, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра морской геологии и литологии; e-mail: [email protected]
2 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-05-00246).
3 Условность выделения стадий в осадочном процессе была рассмотрена нами ранее [Холодов, 2004, 2006].
В целом можно считать, что в разных физико-географических обстановках зоны осадкообразования формируются разнообразные, отчасти рыхлые осадки, которые затем поступают в «кладовую природы» — стратисферу, где они окончательно дозревают, уплотняются, преобразуются, деформируются, рождают газоводные флюиды и консервируются.
Отмечу, что с времен выделения из недр общей петрографии в качестве самостоятельной науки литологии, или учения об осадочных породах и рудах (20-е гг. XX столетия), в определении осадочных пород наблюдалась как четкая переоценка осадочного этапа их формирования, так и явная недооценка конечных стадий породообразования.
Действительно, уже в первых работах В.П. Батурина [1932] и А.Н. Заварицкого [1932] было подчеркнуто, что осадочные породы формируются в «термодинамических условиях поверхностной оболочки» Земли. Близкое определение в отношении условий образования осадочных пород было принято М.С. Швецовым [1958] и Н.В. Логви-ненко [1984]. Л.В. Пустовалов [1940], Л.Б. Рухин [1953], Г.И. Теодорович [1958], В.Т. Фролов [1992], Б.К. Прошляков и В.Г. Кузнецов [1991], а также В.Г. Кузнецов [2007] и О.В. Япаскурт [2008] несколько расширили характеристику термодинамической среды осадочного породообразования, утверждая что она типична для всей верхней приповерхностной оболочки планеты.
Таким образом, из внимания литологов выпали очень важные глубинные явления, накладывающие свой отпечаток на минералогический состав, текстуру, условия залегания и флюидодинамику осадочных толщ.
Приведенные выше данные о термодинами-чесских обстановках формирования осадков и осадочных пород позволяют, как нам кажется, предложить следующее определение этих образований: рыхлые осадки, а также уплотненные осадочные породы представляют собой результат разрушения магматических, метаморфических и осадочных пород литосферы, сопряженный с вулканогенно-осадочными явлениями и созданный терригенными, хемогенными и биогенными процессами в термодинамических об-становках зоны осадкообразования и стратисферы. Такое определение, несомненно, должно обратить внимание литологов на преобразования осадочных пород в глубоких частях стратисферы при относительно высоких температурах и давлениях.
Как показано в ряде опубликованных работ автора [Холодов, 1983, 2004, 2006, 2013], длительный путь преобразования осадков в осадочные породы начинается сразу после их фиксации в разнообразных физико-географических обстановках зоны осадкообразования.
В субаквальных обстановках осадочных бассейнов каждый последующий пласт осадков перекрывает предыдущий, способствует его
уплотнению и дегидратации. По мере накопления осадков нижние пласты погружаются в глубь стратисферы, вступая в область повышенных значений температуры и геостатичекого давления и в свою очередь трансформируются под давлением этих факторов.
С течением геологического времени каждый пласт медленно перемещается сверху вниз, и только тектонические инверсии и поднятия иногда прерывают и даже изменяют в противоположную сторону это направленное движение.
Верхние части осадочного разреза, находящиеся в тесной диффузионной и гидродинамической связи с водами материнского водоема, с физико-химической точки зрения чаще всего представляют собой открытую физико-химическую систему, тогда как в нижних, наиболее уплотненных и часто изолированных участках появляются все черты закрытой физико-химической системы со всеми вытекающими отсюда последствиями. Как бы то ни было, но в ходе нисходящих движений пластов в целом существенно усиливается гидродинамическая изоляция отдельных участков осадочных толщ.
Характерная черта стратисферы, или осадочно-вулканогенной оболочки Земли, — присутствие в ней осадочных пород двух типов — пластических и жестких.
К пластичным породам принадлежат глины, угли, эвапориты (соли), черные сланцы, торфы, мергели, некоторые известняки. При погружении вглубь недр Земли они уплотняются, дефлюиди-зируются, сокращают свою пористость и проницаемость и превращаются в слабопроницаемые тела; нефтяники называют такие породы «покрышками».
К жестким породам относятся пески, песчаники, гравелиты, конгломераты, некоторые известняки, опоки, трепела и др. кремнистые породы. Они значительно хуже уплотняются под давлением и обычно теряют проницаемость только в результате выпадения цементирующих минералов из растворов (кольматации). В нефтяной геологии эти образования обычно называют коллекторами.
По мере развития нисходящих движений в осадочных бассейнах пластичные породы деф-люидизируются; они теряют поровую и кристаллизационную воду, жидкие и газообразные углеводороды, а также компоненты, растворимые в воде и углеводородах.
Эти осадочные образования в условиях повышенных значений геостатического давления и температуры становятся донорами — поставщиками газоводных флюидов во внешнюю по отношению к ним среду.
Жесткие породы — коллекторы, так же, как зоны тектонической трещиноватости и разломы, нарушающие оплошность осадочной оболочки, обычно выполняют роль рецепиентов и стано-
вятся главными путями перемещения флюидов, каналами их разгрузки.
Важнейшая движущая сила элизионных систем, как это показано в работах многих гидрогеологов (А.А. Карцев, С.Г. Вагин, Е.А. Басков, В.М. Никаноров, А.В. Кудельский, Л.А. Назаркин и др.), — сверхвысокое поровое давление (СВПД), которое обычно возникает при дефлюидизации пластичных пород в условиях замкнутых физико-химических систем; фазовые превращения составных частей пластических пород, происходящие по схеме твердое — жидкое — газообразное, в уплотненных запечатанных частях разрезов способствуют весьма интенсивному повышению локальных поровых давлений и в конечном счете обеспечивают миграцию газов и растворов из наиболее погруженных частей элизионных бассейнов к их периферии и к дневной поверхности.
Именно под действием СВПД в осадочных толщах осуществляется миграция вод, рассолов и нефтяных углеводородов, а в осадочных породных бассейнах формируется обратная гидрохимическая зональность, подчеркивающая движение флюидов от глубин к земной поверхности и от центра бассейна к его периферии. Разные структурно-гидрогеологические этажи осадочно-породных бассейнов оказываются связанными между собой с помощью зон повышенной трещиноватости, разломов и пластов — коллекторов, и эта единая гидродинамическая система устойчиво функционирует на протяжении целых этапов геологического развития регионов.
В целом элизионные системы соответствуют областям интенсивных тектонических нисходящих движений и накопления мощных осадочных толщ. Пространственно с ними совпадают области крупнейших нефтегазоносных провинций мира, угленосных и солеродных бассейнов, а также областей развития соляной тектоники (диапиров) и грязевых вулканов.
В зависимости от преобладающего типа флюи-догенерирующих отложений среди элизионных систем можно различать бассейны, связанные с мощными глинистыми и глинисто-органогенными толщами, с соленосными и эвапоритовыми, а также угленосными формациями; нетрудно предположить, что скоплениям каждого типа пластических пород будет соответствовать своя модификация элизионных процессов [Соколов, Холодов, 1994].
Наиболее полно изучены элизионные процессы, связанные с преобразованиями мощных глинистых толщ, сложенных смектитом, гидрослюдой и каолинит-хлоритовой составляющей без существенной примеси терригенных прослоев; обычно в этих толщах в том или ином количестве присутствует рассеянное органическое вещество (РОВ), а также включения карбонатов и другие аутигенные примеси.
Как показано ранее на примере разрезов Западного Предкубанья и Восточного Предкавказья [Холодов, 1983], по мере развития нисходящего движения глины уплотняются, трансформируется их минеральный состав, они дегидратируются, а выделившаяся из них вода создает СВПД — главную движущую силу элизионного перемещения флюидов.
В свою очередь РОВ, первоначально представленное планктоногенными жирами, белками и углеводами на стадии диагенеза, порождает фульво- и гуминовые кислоты, а при катагенети-ческом погружении в область высоких значений температуры и давления — кероген, а также его жидкие и газообразные производные — углеводороды нефтяного ряда. Фазовые переходы РОВ рождали нефть и углеводородные газы и усиливали СВПД, созданное водой.
Особенно интенсивные преобразования РОВ осуществлялись, по-видимому, в главную фазу нефтегазообразования (ГФН) и главную фазу газообразования (ГФГ).
Сверхвысокое пластовое давление (СВПД) в недрах осадочных породных бассейнов оставляло свои следы — гидроразрывы в виде пластических даек, «горизонтов с включениями», а в зонах повышенной трещиноватости и тектонических нарушений — в виде грязевых вулканов и соляных диапировых поднятий.
Заключение. В целом все эти очень важные для литологов и геологов-тектонистов процессы пока еще очень слабо исследованы: в свете работ последнего времени становится очевидным, что физико-химические свойства осадочных отложений на большой глубине коренным образом отличаются от таковых на дневной поверхности и что глубокие части стратисферы охвачены самопроизвольно возникающими явлениями флюидогенеза и флюидодинамики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Батурин Т.Н. Справочное руководство по петрографии осадочных пород. М.; Л.: ГОНТИ НКТП, 1932. 60 с.
Елисеев Н.А. Метафорфизм. Л.: Изд-во ЛГУ, 1959. 414 с.
Заварицкий А.Н. Введение в петрографию осадочных горных пород. М.; Л.: ГОНТИ, 1932. 80 с.
Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение. М.: Недра, 2007. 510 с.
Логвиненко Н.В. Петрография осадочных пород (с основами методики исследования). М.: Высшая школа, 1984. 416 с.
Прошляков Б.К., Кузнецов В.Г. Литология. М.: Недра, 1991. 444 с.
Пустовалов Л.В. Петрография осадочных пород. М.; Л.: Гостоптехиздат, 1940. Т. 1, 2. 476 с., 420 с.
Ронов А.Б. Стратисфера или осадочная оболочка Земли. М.: Наука, 1993. 143 с.
Рухин Л.Б. Основы литологии. М.; Л.: ГОНТИ, 1953. 672 с.
Соколов Б.А., Холодов В.Н. Флюидогенез и флюидо-динамика осадочных бассейнов — новое направление в литологии // Отеч. геология. 1994. № 7. С. 79—81.
Страхов Н.М. Стадии образования осадочных пород и задачи их изучения // Методы изучения осадочных пород. М.: Госгеотехиздат, 1957. Т. 1. С. 7—28.
Теодорович Г.И. Учение об осадочных породах. Л.: ГОНТИ, 1958. 572 с.
Тернер Ф.Дж. Эволюция метаморфических пород. М.: ИЛ, 1951. 420 с.
Тернер Ф.Дж., Ферхуген Дж. Петрология изверженных и метаморфических пород. М.: ИЛ, 1961. 510 с.
Фролов В.Т. Литология. Т. 1. М.: Изд-во Моск. унта, 1992. 333 с.
Холодов В.Н. Постседиментационные преобразования в элизионных бассейнах (на примере Восточного Предкавказья). М.: Наука, 1983. 150 с.
Холодов В.Н. Эпигенетическое рудообразование и закон физико-химической наследственности // Современные проблемы геологии. М.: Наука, 2004. С. 500-537.
Холодов В.Н. Геохимия осадочного процесса М.: ГЕОС, 2006. 608 с.
Холодов В.Н. Элизионные процессы и соляная тектоника. Сообщение 1. Катагенетические преобразования в соленосных толщах. Сообщение 2. К проблеме формирования соляных диапиров // Литология и полез. ископаемые. 2013. № 4.
Швецов М.С. Петрография осадочных пород. М.: Госгеоиздат, 1958. 416 с.
Япаскурт О.В. Генетическая минералогия и стадиальный анализ процессов осадочного породо- и рудообразования. Учебное пособие. М.: ЭСЛАН, 2008. 356 с.
Поступила в редакцию 30.03.2015
