Стадия катагенеза

Стадия катагенеза.

Постседиментационные (вторичные) изменения осадочных пород.

Лекция 8.

Осадочные породы, образовавшиеся в результате диагенетических процессов, достигают физико-химического равновесия, но не представляют собой устойчивую систему. Под действием термобарических и геохимических факторов они преобразуются, приобретая новые признаки и свойства. Все изменения, происходящие в уже сформировавшейся породе, называются вторичными или постдиагенетическими. Они осуществляются в две стадии: катагенеза и метагенеза. После их завершения породы переходят в категорию метаморфических. Если, в результате тектонической деятельности, они будут вынесены в приповерхностную зону, то вступят в процесс гипергенеза и будут подвергаться новым изменениям и разрушению.

Катагенез – основная стадия в жизни осадочной породы. Продолжительность ее колеблется в широком диапазоне и определяется особенностями геологического строения территории. Положение верхней границы совпадает с нижней границей диагенеза. Нижняя – условно ограничивается положением изотермы 200⁰С. По геофизическим исследованиям (при геотермическом градиенте 1⁰/100м) она достигает 20км. В таких условиях давление достигает 500Мпа, а пористость понижается до 1-2%.

Важнейшими движущими силами катагенеза являются: температура, давление (литостатическое, стрессовое, гидростатическое), растворимые в воде минеральные и газообразные вещества, pH и Eh подземных вод, естественная радиоактивность, а также продолжительность их воздействия.

Катагенетические преобразования отражаются на изменении минерального состава, структуры, физико-химических свойствах (химической устойчивости, твердости, пластичности, пористости, проницаемости и т.д.), которые происходят в результате дальнейшего уплотнения и отжатия воды, растворения неустойчивых соединений, минерального новообразования и перекристаллизации вещества.

Уплотнение пород. На начальном этапе катагенеза уплотнение происходит в результате перегруппировки частиц, более плотной их упаковки под действием литостатического (горного) давления. Дальнейшее уплотнение происходит по принципу Рикке – минералы, слагающие горные породы, растворяются в точках касания друг с другом в направлении максимального давления и вновь кристаллизуются в соседних пустотах в местах минимального давления.

Степень уплотнения породы определяется при исследовании пород в шлифах. Коэффициент уплотнения (К_δ) представляет собой безразмерную величину, показывающую во сколько раз плотность породы (δп) меньше плотности слагающей ее твердой фазы (δт). По мере уплотнения δп → δт Коэффициент уплотнения связан с величиной пористости (Кп): K= 1-Кп. Глинистые породы уплотняются до величины К= 0,85-0,9%, а затем превращаются в аргилиты. Быстрее всего уплотняются известняки (0,90 – 0,97) на глубинах 1800-2000м.

Уплотнение горных пород приводит к повышению их плотности за счет уменьшения пористости. Процесс сопровождается увеличением объемного веса, уменьшает возможность фильтрации вод, способность к водопоглащению и т.д.

Отжатие воды происходит на протяжении всей стадии катагенеза. По форме связи с твердой фазой породы, воды подразделяются на свободную (гравитационную), капиллярную и связанную (физически или химически). Свободная вода в породах перемещается под действием силы тяжести или пластового давления, капиллярная – кроме того, под действием капиллярных сил, а связанная – не перемещается. При уплотнении теряется большое количество воды. Например, девонский песчаник теряет воду с 35 до 5%. Освобождающаяся вода в условиях высоких температур и давлении играет важную роль в растворении и перераспределении вещества осадочных пород.

Растворение составных частей породы. Изменение термобарических и геохимических условий сопровождается нарушением равновесия между твердой (минеральной и органической), жидкой и газообразной фазами. Это приводит к растворению их в подземных водах, нефтях, конденсате. Следствие – образование в породах каверн, расширение трещин, повышение минерализации подземных вод до 20-30г/100г раствора, а также присутствие в жидкостях широкого ассортимента химических элементов и минерало-органических соединений.

Растворимость минералов определяется температурой, давлением, фильтрационными способностями пород, а также свойствами самих растворителей – их минерализацией, солевым составом, pH, Eh, составом и количеством растворенных газов и др. Галоиды, сульфаты и карбонаты составляют основу солевой части подземных вод. Кроме того во флюидах присутствуют Si, Sr, Al, Fe, Mn, макроэлементы V, Ni, Co, Mo, Cu и др.

Значительную роль играют органические соединения – битумоиды и гуминовые кислоты. На контакте с водой нефть окисляется и частично разлагается с образованием углекислоты, вследствие этого воды становятся более агрессивными к карбонатам, кварцу и другим минералам. Это приводит к нарушению физико-химического равновесия и влечет за собой растворение минералов, их новообразование или преобразование.

Минеральные новообразования на стадии катагенеза широко распространены. Обращаются за счет веществ, растворенных в подземных водах и газообразных веществ, растворенных в пустотном пространстве пород. Вторичные образования чаще всего представлены породообразующими минералами – кварцем, кальцитом, доломитом, полевым шпатом, кислыми плагиоклазами, халцедоном (в нейтральной или слабокислой среде), удлиненными пластинчатыми гидрослюдами, пачками каолинита, табличками хлорита. Взаимодействие обугленных органических остатков, битумов с пластовыми водами приводит к образованию сульфидов железа и других металлов. Богатые кислородом воды, при контакте с сульфидами, образуют гидроокислы железа и т.д. Новообразованные минералы заполняют трещины, поры, каверны, выделяются в виде каемок регенерации.

Перекристаллизация вещества. Она заключается в преобразовании кристаллических зерен без изменения их состава и структуры кристаллической решетки, а сводится к укрупнению кристаллов за счет смешения нескольких зерен, изменению их формы, приспособлению к поверхностям соседних минералов, освобождению от примесей. Перекристаллизация сопровождается уменьшением объема породы, ее дальнейшим уплотнением и увеличением устойчивости системы в новых термобарическим и геохимическим условиям.

Процесс перекристаллизации наиболее характерен для хемогенных и органогенных образований. Аморфные вещества могут подвергаться девитрификации (раскристаллизации) – переходу в более плотное состояние, что наиболее характерно для опаловых и фосфатных образований, обломков эффузивных пород.

Процессы катагенеза по своей природе неорганические – физико-механические и физико-химические. Роль живого вещества (бактерий) несущественна. Исключение составляют нефтяные толщи, где при помощи сульфатредуцирующих бактерий происходит восстановление сульфатов.

Породы, прошедшие стадию глубинного катагенеза, характеризуются сильным уплотнением, физические признаки литологически разных пород отличаются меньше, чем при начальном катагенезе. Глинистые породы представлены аргилитом - хрупким, не размокающими в воде образованием. Роль монтмориллонита уменьшается, увеличивается – каолинита (3200м), появляются смешанно-слойные глинистые минералы, гидрослюда, хлорит (~7000м). Пески, слабо уплотненные песчаники, алевролиты приобретают высокую прочность; мел замещается известняками, а структура последних изменяется в направлении укрупнения зернистости, степень уплотнения разных известняков сближается; угли превращаются в спекающиеся угли (коксовые).

Различия в степени изменения пород на стадии катагенеза вызывает необходимость выделения более мелких категорий стадии – подстадии. В научной литературе катагенез делится на 2 или 3 подстадии. При двухчленном делении различают начальный и конечный (глубинный) катагенез. Граница между подстадиями проводится в диапазоне температур 90-120⁰С при горном давлении в 100Мпа и понижении пористости до 15%. Такие условия, в большинстве случаев, наблюдаются на глубине 2,5-5км. При трехчленном делении различают протокатагенез (начальный), мезокатагенез (средний) и апокатагенез (конечный), причем последний приблизительно соответствует стадии метагенеза. Основанием для разделения на подстадии служит характеристика органического вещества. Границей между первыми двумя подстадиями является зона, где в углях исчезают гуминовые кислоты, а содержание углерода достигает 75%. Глубинное положение границы – 1-3км. Нижняя граница мезокатагенеза намечена в диапазоне 1-7,5км и выделяется по достижении содержания углерода в органическом веществе – 90%. Нижняя граница апокатагенеза соответствует переходу органического вещества в графит. Ее ориентировочное глубинное положение ~ 2,5-15км. Однако трудно определить точное положение границ по отношению к поверхности в геологическом прошлом, поэтому и даются такие разбежки.

Дата добавления: 2013-12-13