Классификация карбонатных пород

                                    ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………….……………………....3

Глава 1. Происхождение и изменения карбонатных пород ……………...5

1.1.Диагенетические и эпигенетические  изменения карбонатных пород……7

1.2.Перекристаллизация, доломитизация, выщелачивание и  сульфатизация карбонатных пород……………………………………………………………..12

Глава 2. Растворимость карбонатных пород.  Соотношение растворимости доломита и кальцита..............................................................15

Глава 3. Классификация карбонатных пород…………………………….18

Глава 4. Карбонаты в почве…………………………………………………20

Глава 5. Биологический круговорот кальция и магния………………….21

Заключение……………………………………………………………………….23

Литература……………………………………………………………………….24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

Как в нашей стране, так и за рубежом все чаще в последние годы

поисково-разведочные работы имеют дело с плотными горными породами различного литологического состава, в основном с карбонатными.

Карбонатными породами, как известно, нередко сложены значительные по мощности толщи. Принято считать, что исходным материалом для образования карбонатных пород служили растворенные в водах соли кальция и магния.

Карбонатные породы широко распространены в осадочной оболочке. К этой группе принадлежат породы, в которых карбонатная фракция преобладает над некарбонатными компонентами.

Главнейшие породообразующие компоненты пород – карбонатные минералы, в первую очередь – кальцит, доломит, примеси обломочного и глинистого материала. В зависимости от соотношения этих основных составляющих карбонатные породы делятся на известково-доломитовую, терригенно-карбонатную и карбонатно-глинистую группы.

Почти все карбонатные породы растворимы в кислотах, одни в холодном состоянии (известняки, доломиты), другие при подогреве (магнезит, сидерит). Многие типы карбонатных пород обладают высокой морозостойкостью, диэлектрическими свойствами, декоративными качествами, высокой огнеупорностью.

Развитие и формирование порового пространства карбонатных пород тесно связано с процессом растворения и выщелачивания. Вынос этих соединений в растворенном состоянии является причиной образования пор и пустот, а также причиной расширения трещин.

Цель данной работы -  изучить геохимическое значение карбонатных пород в окружающей среде. Рассмотреть происхождение и изменение карбонатных пород, а так же их растворимость и классификацию. Значение карбонатов в почве, влияние на воды и окружающую среду.

 

Глава 1. Происхождение и изменения карбонатных пород

Карбонатными породами, как известно, нередко сложены значительные по мощности толщи. Принято считать, что исходным материалом для образования карбонатных пород служили растворенные в водах соли кальция и магния. При избыточном количестве последних в водной среде они начинают выделяться в осадок чисто химическим путем, либо при поглощении из водной среды живыми организмами эти соли попадают в осадок в виде карбонатных скелетных остатков.

Несомненным является наличие в этих породах трех генетических карбонатных составляющих: биогенного, точнее органогенного, карбоната, преимущественно СаСО3 , в виде скелетных остатков различных организмов и водорослей; хемогенного карбоната, осажденного непосредственно из водных растворов, и обломочного карбоната, представленного различными по размерам (форме) обломками карбонатных пород, или уплотненных карбонатных осадков. Количественные содержания этих карбонатных составляющих в породах (осадках) могут варьировать в очень широких пределах.[1]

Общие теоретические представления о механизме карбонатообразования базируются в основном на данных о современных процессах карбонатонакопления, которые, как отмечает Η. М. Страхов в главнейших чертах были общими и для древнейших эпох, варьируя в относительно второстепенных деталях.

Главными факторами физико-химических (и гидродинамических) условий, контролирующими осаждение карбонатов, являются:

1) состав  вод седиментационного бассейна — общая их минерализация и солевой состав, поскольку растворимость карбонатов в разных растворах солей (соответственно в водах разных водоемов) будет различной;

2) газовый  фактор — практически количество  растворенной в водах свободной углекислоты (СО2), поскольку повышение или снижение его сдвигает карбонатное равновесие в ту или иную сторону, в частности, для CaCO3: СаСО3 + Н2О + СО2 ^ Ca (HCO3) 2;

3) температура  и давление, изменение которых  вызывает изменение содержания  в водах свободной CO2. Повышение температуры (снижение давления) способствует удалению CO2 из водной среды и, следовательно, выделению карбонатов в осадок.

Наоборот, при понижении температуры вод (повышении давления) растворимость CO2 в них возрастает, соответственно повышается растворимость CaCO3, что препятствует его осаждению;

4) щелочной  резерв (рН) водной среды — для возможностей садки карбонатов она должна быть щелочной, со значениями рН больше или равно 8, при этом не только в поверхностных, но и в придонных слоях бассейна, так как иначе отложения карбонатов вновь будут переходить из осадка в раствор;

5) гидродинамический  режим водных бассейнов, который  создается различными движениями  вод — волновыми, течениями (со всегда присущей им турбулентностью) и в подчиненной степени приливо-отливными движениями и конвекционными потоками. Все эти перемещения, перемешивая водные массы, меняют физико-химические условия в различных участках седиментационного бассейна. Кроме того, они вызывают горизонтальные переносы осевшего на дно карбонатного материала, пока он еще не зафиксирован в осадок. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.Диагенетические  и эпигенетические изменения  карбонатных пород

Диагенетические изменения карбонатных осадков, так же как дальнейшие эпигенетические преобразования уже литифицированных карбонатных пород, во многом предопределяются условиями образования осадков - их вещественным составом и структурными особенностями.

Различают стадии раннего и позднего диагенеза, хотя строгого критерия этого разграничения не существует. В раннем диагенезисе осадок представляет собой высокопористую, сильно обводненную, резко неуравновешенную, неустойчивую многокомпонентную физико-химическую систему легкоподвижных и реакционноспособных веществ.

На стадии позднего диагенеза процессы изменения осадков значительно замедляются и в конце ее осадок достигает состояния внутренне уравновешенной системы, т. е. превращается в породу.

Дальнейшие изменения возникшей породы относятся уже к стадии эпигенеза. Можно различать эпигенез "прогрессивный" и "регрессивный ". Для первого Н. Б. Вассоевич в 1957 г. предложил название "катагенез", получивший широкое распространение. В катагенезе преобразования пород происходят при постепенном погружении их на большие глубины. В условиях заметного возрастания температуры и давления породы, почти не меняя минеральный состав, испытывают значительное региональное уплотнение. Следствием его является перекристаллизация карбонатного материала (укрупнение зерен) с возможным образованием сложных, зубчатых контактов зерен. Имеющиеся в карбонатных породах поры, а также трещины при наличии в разрезах глинистых пород могут заполняться водами, при региональном уплотнении отжимаемыми из глин в больших количествах. Возможно " катагенетическое проникновение " в карбонатные породы вод и другого происхождения, в том числе эндогенного.

Процессы, которые могут происходить в карбонатных осадках в диагенезе и в карбонатных породах в эпигенезе, весьма сходны. К ним относятся уплотнение, цементация, доломитизация, перекристаллизация, сульфатизация, выщелачивание и др. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Перекристаллизация, доломитизация, выщелачивание и  сульфатизация карбонатных пород

Перекристаллизация

Перекристаллизация - процесс роста кристаллических зерен, т. е. увеличение их размеров, которое согласно общепринятым определениям происходит без изменения их минерального состава. Однако в последние годы к перекристаллизации относят также и укрупнение зерен, происходящее при переходе неустойчивых метастабильных модификаций СаСО3 (арагонита и высокомагнезиального кальцита) или СаСО3 * MgCO3 (кальциевого доломита, или протодоломита) в устойчивые низкомагнезиальный кальцит и доломит.

В диагенезе перекристаллизация происходит за счет частичного растворения и переотложения растворенного карбоната в осадке иловыми водами. В эпигенезе она обусловлена в большей степени растворяющим влиянием давления (при катагенезе) либо воздействием циркулирующих в породе вод (при регрессивном эпигенезе). Общим правилом растворения является лучшая растворимость более мелких зерен, за счет которой и растут зерна, относительно более крупные.

Результатом диагенетической перекристаллизации служит частичное или полное преобразование пелитоморфной (коллоидной, тонкозернистой) карбонатной массы в мелкозернистую. Условно размер возникающих зерен ограничивается пределом 0, 05 мм. Как правило, диагенетическая, особенно раннедиагенетическая, перекристаллизация, происходящая в заметно обводненном осадке, носит более или менее равномерный характер.

Оценки роли перекристаллизации в изменении пористости пород противоречивы. Как считают Г. А. Каледа и Е. А. Калистова, в большинстве случаев перекристаллизация снижает пористость, но иногда приводит к ее возрастанию. По мнению же К. Б. Прошлякова и др. она увеличивает емкость известняков и доломитов.

Очевидно, влияние перекристаллизации на пористость может выражаться по - разному:

1) пористость  не будет меняться, если происходящее  при перекристаллизации частичное  растворение и переотложение карбонатных веществ будет сбалансированным;

2) пористость  может ухудшаться при возникновении  компактного сложения карбонатной  массы, что довольно распространено  при процессах диагенетической перекристаллизации;

3) пористость  может возрастать в тех случаях, когда растворение карбонатного  материала преобладает над переотложение, т. е. растворенный карбонат частично удаляется из породы (случаи, более типичные для эпигенетической перекристаллизации).

Доломитизация

Доломитизация, которой подвергались известняки, может быть диагенетической и эпигенетической. Раннедиагенетическая седимент-ционно-диагенетическая доломитизация известковых илов, как уже указывалось выше, один из наиболее вероятных и наиболее распространенных путей формирования доломитов и первичных известково-доломитовых пород. Возникающий при этом доломит может быть как мелкозернистым, так и тонкозернистым, с зернами (соответственно 0, 01 - 0, 05 и менее 0, 01 мм), имеющими большей частью неправильные, изометрично-округленные или ромбоэдрические очертания.

На более поздних этапах раннего диагенеза формируются относительно более крупные зерна доломита, размерами до 0, 05 и частично до 0, 1 мм. В силу того, что доломит обладает более высокой кристаллизационной способностью, чем кальцит, зерна большей частью имеют отчетливую форму ромбоэдров.

Раннедиагенетический доломит, формируясь в рыхлом осадке, распределяется в известковой массе более или менее равномерно. При этом нередко в породах с комками, оолитами и другими подобными карбонатными форменными образованиями последние сложены тонко- и мелкозернистым кальцитом и доломитом одновременно, как без резкого обособления их зерен, так и с раздельными преимущественными концентрациями их в отдельных участках или концентрических слоях.

Более поздний диагенетический доломит обнаруживает наклонность к избирательному развитию в отдельных участках тонкозернистой известковой массы. Нередко мелкие доломитовые зерно внедряются в периферийные участки скелетных осадков и других форменных образований.

При эпигенетической доломитизации известняков зерна доломита чаще всего имеют размеры более 0, 1 мм (до 1 - 2 мм и более) и распределяются в известковой массе неравномерно. Обычно они имеют ромбоэдрическую форму, нередко обладая зональным строением. Иногда содержат микровключения кальцита. Они развиваются как в зернистой известковой массе, так и в остатках фауны и в других форменных образованиях, по периферии и внутри их.

Выщелачивание

Выщелачивание - это процессы растворения веществ, сопровождаемые выносом растворенных компонентов. В породах она находит отражение в образовании различных по форме и размерам пустот выщелачивания. Выщелачиванию могут подвергаться как карбонатные осадки (диагенетические), так и карбонатные породы (эпигенетические).

Диагенетическое выщелачивание карбонатных осадков в целом является довольно ограниченным. Условия их заметной обводненности, малой подвижности иловых вод и замедленности диффузионных перемещений веществ создают обстановку для преобладания в осадках процессов растворения, сопровождаемого местным, локальным переотложением растворенных компонентов.

Эпигенетическое выщелачивание в противоположность диагенетическому может приводить к весьма существенным изменениям пористости карбонатных пород и практически оказывает весьма сильное влияние на формирование их коллекторских свойств. Эпигенетическое выщелачивание обусловлено циркуляцией по карбонатным породам относительно быстро движущихся, агрессивных по отношению к ним вод. Естественно, что циркуляция последних возможна лишь при нахождении карбонатной породы в поверхностной или приповерхностной зоне, независимо от того, оказались ли породы здесь уже пройдя стадии, катагенеза, либо сразу же после катагенеза. В породах смешанного известково-доломитового состава различное сопротивление растворению могут оказывать кальцит и доломит, поскольку растворимость последнего (при равных прочих условиях) значительно (в 24 раза) меньше. По всей вероятности, по - разному будут реагировать на воздействие вод также и форменные образования различной степени плотности и т. п. И наконец, селективное растворение карбонатных пород, очевидно, будет зависеть от характера (состава) циркулирующих вод и его изменений.

Сульфатизация

Сульфаты (гипс, ангидрит) часто ассоциируются с карбонатными породами, в которых они могут быть генетически как первичными, так и вторичными.

Первичные седиментационно-диагенетические сульфаты (ангидрит) наблюдаются в доломитах эвапоритовых толщ, в разрезе которых наряду с солями образуют отдельные, иногда мощные пласты. В самих доломитах седиментационно-диагенетические выделения ангидрита наблюдаются в виде рассеянных мелких зерен и их агрегатных скоплений, образующих различные по размерам линзы, линзовидные пропластки и прослои.

В раннем диагенезе в обводненных осадках начинается активное перераспределение веществ, при котором значительно более неустойчивые, растворимые и подвижные сульфаты проникают в доломитовые илы, выделяясь в них там, где это возможно. Нередко это приводит к образованию пород смешанного ангидрит - доломитового состава.

Вторичные, позднедиагенетические и особенно эпигенетические, выделения сульфатов (ангидрита и гипса) возможны в любых карбонатных породах, в самых различных типах доломитов и известняков. Обычно эти сульфаты крупнозернистые. Их выделение происходит из подземных вод, циркулирующих по карбонатным породам. Сульфаты (особенно гипс) прорастают карбонатную массу, развиваются в межзерновых и межформенных порах, выполняют различные пустоты выщелачивания и открытые микротрещины. Во всех случаях сульфатная минерализация приводит к запечатыванию пустот и, таким образом, снижает пористость карбонатной породы. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Растворимость карбонатных пород

Развитие и формирование порового пространства карбонатных пород тесно связано с процессом растворения и выщелачивания. Вынос этих соединений в растворенном состоянии является причиной образования пор и пустот, а также причиной расширения трещин.

Установлено, что растворимость кристаллических веществ зависит от их природы, растворяющей способности растворителя и находится в тесной связи с термодинамическими условиями. Неодинаковая растворимость частиц кристаллического вещества определяется их размером. Ряд исследователей (Бакли, 1954; Теодорович, 1950) показали, что растворимость частиц гипса размером 2 мм на 20 % меньше, чем частиц 0, 3 мм, и что тонкозернистые разности кальцита значительно быстрей растворяются, чем крупные кристаллы.

Исследованиями Ф. Бирха, впервые приведенными в работе Миллера 1959 г, было доказано, что растворимость известняка заметно снижается, после того как его подвергают большому давлению. Миллер связывает это снижение с перекристаллизацией вещества под большим давлением, которая вызывает увеличение размеров частиц. Очевидно, этим можно объяснить почти полное отсутствие пор растворения у сильно метаморфизованных пород. На растворимость карбонатных минералов влияет и размер растворяемых частиц. Чем более они тонкодисперсные, тем более растворимы. Неодинакова, растворимость различных по размеру частиц способствует росту более крупных зерен за счет растворения мелких.

Сильное растворяющее действие подземных вод, богатых углекислотой, отмечалось В. И. Вернадским в 1934 г, который писал, что такая вода приобретает свойства кислоты и способна разлагать силикаты и алюмосиликаты. Поскольку проводимости пород неодинаковы, то процессы растворения не распространяются равномерно по всему горизонту. Вероятно, они приурочены к тем тектоническим участкам и структурам, которые наиболее пористы и проницаемы. Возможно, что растворение связано с воздействием на породы нефтяных вод, которые, как известно, содержат большое количество углекислоты. А. И. Осипова  в 1964 г  считает, что нефтяные воды при проникновении в карбонатную породу - коллектор оказывали сильное агрессивное действие, расширяя и соединяя поры, существовавшие в известняках.

Большое значение в происходящих процессах растворения имеют нерастворимые минеральные примеси, содержащиеся в карбонатных породах. Роль этих примесей неодинакова: следует различать примеси, тормозящие процесс растворения, и наоборот, ускоряющие его. Наличие в карбонатных породах примеси глинистых, кремнистых или органических веществ тормозит процесс растворения. Именно поэтому в карбонатных породах с большим количеством рассеянного органического вещества незначительно развиты явления перекристаллизации. Наоборот, даже небольшие количества примесей более растворимых соединений резко повышают растворимость карбонатных пород, что доказано экспериментами В. Н. Свешниковой. [4]

Соотношение растворимости доломита и кальцита

Этот вопрос имеет очень большое значение для понимания сущности ряда геологических явлений, определяющих формирование пустотного пространства, однако представления о соотношении растворимости данных соединений противоречивы.

Положение об изменчивости соотношений растворимостей доломита и кальцита, были выявлены факторы, которые вызывают изменение этих соотношений. Данные показывают, что в условиях высокого содержания СО2 растворимость кальцита при низких температурах примерно в 1, 5 раза выше, чем доломита. С увеличением температуры эти различия исчезают, и при 550 С растворимости доломита и кальцита равны. При дальнейшем повышении температуры растворимость доломита становится более высокой, чем кальцита. Таким образом, соотношение растворимости доломита и кальцита весьма непостоянно и меняется под влиянием ряда факторов, к числу которых относятся температура, давление, содержание в растворе углекислоты, сернокислого кальция. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Классификация карбонатных пород

До сих пор не существует единой общепринятой  классификации ни для карбонатных пород в целом, ни для наиболее распространенных известково-доломитовых карбонатных пород в частности.

При разработке классификационных схем (и терминологии) известково-доломитовых карбонатных пород более или менее общепризнанными в настоящее время являются два положения:

1) к ним  могут относиться только такие  породы, которые на 50 % и более состоят из карбонатного материала;

2) если  этот карбонатный материал представлен  в основном карбонатом кальция (кальцит, частично, возможно, арагонит), породы именуются известняками, если же он принадлежит доломиту (CaCO3-MgCO3), породы называются доломитами.

Все разнообразие классификационных схем карбонатных пород известково-доломитового ряда можно свести к трем типам:

1) чисто формальные, или описательные;

2) чисто генетические;

3) смешанные  формально-генетические.

Чисто формальные, или описательные, классификации базируются на тех или иных признаках, свойственных карбонатным породам в их современном состоянии, безотносительно условий их образования и постседиментационных изменений. С таких классификаций, по существу, начались первые попытки систематизации известных сведений о карбонатных породах. Разработке классификаций немало способствовали и требования, предъявляемые к карбонатным породам промышленностью.

Указанным обстоятельством в немалой степени объясняется и то, что подобные формальные классификации известково-доломитовых карбонатных пород продолжают разрабатываться и усовершенствоваться до настоящего времени.

Классификации чисто генетического типа относительно редки (как правило, они, скорее, являются не чисто, а преимущественно генетическими). Из самого определения следует, что они предусматривают подразделение карбонатных пород по условиям их образования.

Примеры подобных классификаций ограниченны. К ним, в частности, принадлежит классификация доломитов С. С. Виноградова, которая подразделяет их на две группы эндогенные (гидротермальные и гидротермально-метасоматические) и экзогенные, в свою очередь делящиеся на хемогенные, диагенетические, биогенные и эпигенетические.

Классификации известково-доломитовых пород третьего типа -смешанные формально-генетические (описательно-генетические) - наиболее отвечают требованиям геологической практики. И в настоящее время внимание геологов и литологов обращено на разработку именно таких классификаций с конечной целью возможного создания универсальной классификации карбонатных пород.

Основные положения, которые должны учитываться при разработках таких классификаций, сводятся к следующему:

1) достижение  максимально возможной генетической  группировки формальных признаков  карбонатных пород;

2) учет  специфических особенностей карбонатных  пород, отличающих их от других  пород осадочного генезиса (главным  образом от обломочных и глинистых). Главными из этих особенностей являются: а) внутрибассейновое происхождение; б) большая прямая или косвенная зависимость формирования карбонатных осадков от активности органической жизни; в) контроль осаждения и накопления карбонатных осадков главным образом физико-химическими условиями водной среды бассейна, в то время как основным регулирующим фактором формирования обломочных (и глинистых) осадков служит гидродинамический режим бассейна; г) легкая подверженность карбонатных осадков-пород различным постседиментационным изменениям вследствие относительно хорошей растворимости карбонатных минералов (особенно в водах, обогащенных свободной углекислотой и широко распространенных в природе), а также различной растворимости арагонита, низко- и высокомагнезиального кальцита и доломита;

3) соответствие  требованиям формально-генетических  классификаций; разрабатываемые классификации  должны отражать, возможно, более широкий спектр разностей карбонатных пород и должны быть просты и максимально удобны для практического использования. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4. Карбонаты в почве

Из наиболее распространенных минералов в почве известны кальцит, доломит, люблинит, анкерит, арагонит. Различают первичные карбонаты, содержащиеся в почвообразующих породах (в название таких почв вводится определение "остаточно-карбонатные"), и вторичные, накапливающиеся в профиле карбонатных почв, в процессе почвообразования. Последние встречаются в виде карбонатной плесени, сединки, инея (слабые налеты мелкокристаллических карбонатов на поверхности структурных отдельностей почвы), жилок, псевдомицелий (нитевидные или тонкотрубчатые выделения), конкреций (скопления карбонатов в порах и пустотах почвы в виде четких, округлых, белых комков и "глазков" диаметром 0,3-3,0 см). Карбонаты в почве обусловливают слабощелочную реакцию среды, связывают подвижные формы фосфора и других элементов, свидетельствуют об иссушении почвенного профиля. Участие карбонатов в физико-химических, химических и биологически превращениях в почве зависит от генетических особенностей почв и обусловливает в определенной степени емкость биологического круговорота кальция и диоксида углерода.

Карбонатные почвы подразделяются на сероземы, каштановые почвы, черноземы южные и обыкновенные. Благодаря комковато-зернистой структуре черноземы отлично пропускают воздух и впитывают воду. 
          Эти почвы в своем составе содержат соли угольной кислоты, а также кальций и магний. Встречаются минералы: кальцит, доломит, люблинит, анкерит, арагонит.

Выделяют первичные карбонаты, которые содержатся в почвообразующих слоях, и вторичные, которые накапливаются в процессе почвообразования и встречаются в виде карбонатной плесени, сединки, инея, жилок, псевдомицелий и конкреций.

Из-за тонкого верхнего слоя, где содержание гумуса небольшое, карбонатные почвы обладаю не высокой плодородностью и, следовательно, не пригодны для выращивания культур с глубокой корневой системой. Из-за pH-показателя равному или большему 7 усложняется усвоение растениями железа и марганца. Понизить данный показатель можно путем внесения органических веществ. Не рекомендуется применять минеральные кислоты, повышающие вероятность повреждения растений.

Содержание в почве общих и активных карбонатов напрямую влияет на сахаристость и содержание ароматических веществ в ягодах винограда, а также на количества спирта в вине. Избыток карбонатов в почве часто отрицательно влияет на плодоношение винограда, вызывая нарушение минерального питания растений, что не редко приводит к заболеванию хлорозом, которое усиливается при не достаточном содержании гумуса, плохой структуре и неблагоприятных физических свойствах почвы.