Читая каменную летопись Земли...

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.

Глинистые породы в основном утрачивают способность генерировать жидкие углеводороды (микронефть), хотя метан и его ближайшие гомологи еще поступают в горизонты-коллекторы. Впрочем, этих последних становится все меньше и меньше. Под воздействием огромных давлений зерна и обломки пород в песчаниках вдавливаются на контактах друг в друга с образованием инкорпорационных структур, а растворенный кремнезем отлагается рядом, наращивая зерна, в основном кварца, со стороны еще сохранившихся пустот. Благодаря этому вокруг кварцевых зерен появляются каемки обрастания. Эта новая, относительно чистая фаза отчетливо видна в шлифах: прежние границы зерен трассируются мельчайшими пузырьками флюидов, захваченных в плен при осаждении новой фазы. Вследствие сдавливания и обрастания пустотное пространство песчаников резко сокращается, а в его цементе, если он имеет глинистый состав, появляются хорошо окристаллизованные мусковит, хлорит и биотит. Нередко отмечается образование микроклина и адуляра — минералов из группы полевых шпатов.

По основным параметрам песчаник все более приближается к кварциту или гнейсу — породам метаморфическим, широко распространенным в глубоких недрах Земли, а именно в той части литосферы, которую именуют фундаментом. На платформах граница между осадочным чехлом и фундаментом обычно четко выражена, тогда как в передовых прогибах, разделяющих платформы и горно-складчатые пояса, провести ее труднее, в основном из-за того, что породы в подошве осадочного чехла по физико-механическим параметрам приближаются к породам фундамента, который нацело сложен древними (метаморфическими) и магматическими породами, в том числе и интрузивными, т. е. выделившимися из застывших на глубине магматических расплавов.

Точный рубеж, где первично-осадочная порода переходит в метаморфическую, установить очень сложно из-за широкой гаммы переходных состояний. Этот переходный этап, на котором завершается преобразование осадочных пород в метаморфические, был назван метагенезом (от слова «мета» — переходный, меняющийся). Довольно четкие количественные критерии разработаны лишь в отношении глинистых пород, главным образом благодаря применению дифрактометрического метода исследования. Дело в том, что по мере усиления возрастных изменений в породе многообразная гамма глинистых минералов сводится к двум наиболее широко распространенным формам — иллиту и хлориту.

На дифрактограммах изучаемых образцов с больших глубин резко возрастают высота и симметричность рефлексов, характеризующих иллит. Речь идет главным образом о его первом рефлексе. Окристаллизованность — показатель, отражающий степень совершенства кристаллической структуры. У иллита он непрерывно и довольно быстро возрастает по мере увеличения температуры и давления, господствующих в недрах осадочных бассейнов. Этот показатель, выраженный через отношение ширины первого пика иллита, замеренной в его средней части, к высоте, меняется в метагенезе от 1:5 до 1:15. При более высоких значениях выделяется так называемая эпизона — область, где наблюдаются такие изменения в породах, которые позволяют отнести их к разряду метаморфических образований. Тем не менее следует подчеркнуть, что момент перехода осадочной породы в новое состояние пока еще определяется весьма условно. Аргиллиты при этом превращаются в глинистые, а затем и в слюдистые сланцы. Кремнистые породы в метагенезе трансформируются в кремнистые сланцы или яшмы, известняки становятся мраморовидными и мраморами, угли достигают стадии полуантрацитов и антрацитов, в дальнейшем превращаясь в графит.

Специализация пород

Каждая порода интересна по-своему. Почти с каждой из них связаны те или иные полезные ископаемые. Впрочем, и сами осадочные породы находят применение в различных отраслях народного хозяйства. Многие из них играют важную роль в процессах нефтегазообразования и нефтегазонакопления. Одни служат генераторами углеводородов, другие — коллекторами для них, третьи — породами-экранами, не допускающими разрушения залежей. Нефть по большому счету — это детище глин, хотя жидкие углеводороды продуцируются и другими породами, а именно теми, что содержат рассеянные и концентрированные формы органического вещества (силициты, сапропели, карбонатные образования и в небольших количествах даже угли). Однако в региональном масштабе, т. е. в пределах целого региона (осадочного бассейна), генерирование нефти протекает главным образом в глинистых породах, если, конечно, они обогащены органикой сапропелевого или смешанного типа, а при диагенезе в них господствовали восстановительные условия. Речь идет преимущественно о субаквальных осадках, которые быстро перекрывались более молодыми наносами и переставали контактировать с богатой кислородом водной средой. Хотя углеводороды нефтяного ряда образуются из органических остатков, сама нефть абиогенна. Имеется в виду, что подавляющая масса углеводородов возникла отнюдь не в процессе жизнедеятельности животных и растений, хотя в тканях некоторых организмов и накапливаются в небольшом количестве отдельные углеводороды или близкие к ним по строению структуры.

Нефть как полезное ископаемое рождается в земных недрах в основном на стадии катагенеза, т. е. на зрелой стадии существования пород, когда они попадают в область повышенных температур и давлений. Основной фактор, обеспечивающий и даже инициирующий генерацию нефтяных углеводородов, — температура. Уже в диапазоне 80-120 °C начинаются термолиз и термокатализ, благодаря которым из органического вещества выделяются углеводородные структуры разного типа — алканы, нафтены и арены. Важнейшим процессом, стимулирующим эти реакции, помимо температуры, является разрушение переуплотненной структуры межслоевой воды в разбухающих глинах. Воздействие этой воды на органические субстанции приводит к разложению сложных гетерополиконденсатов гуминовых кислот и молекул керогена, а также к образованию широкой гаммы легких углеводородов. Значительная их часть переносится ею из глины в коллектор, где происходит разделение фаз и нефть в виде пленок начинает мигрировать по пластам к местам концентрации. Из этих пленок по прошествии сотен тысяч, а то и миллионов лет формируется нефтяная залежь.

Роль природных резервуаров или накопителей углеводородов выполняют породы, сохранившие в недрах развитую систему пустот или трещин, связанных между собой. Чаще всего это песчаники и крупнозернистые органогенные известняки, хотя в роли коллектора нередко выступают диатомиты, вулканогенные породы (туфопесчаники) и даже полуразрушенные выветриванием магматические и метаморфические породы фундамента. Впрочем, последнее случается достаточно редко.

Как указывалось выше, самыми выдающимися емкостными возможностями обладают рифовые известняки, изначально характеризующиеся большим объемом порового пространства. На окраинах континентов с погребенными рифовыми массивами связаны крупные и даже гигантские скопления углеводородов (более 21,9 млрд т нефти и 5,3 трлн м³ газа). Однако первое место принадлежит песчаникам прибрежно-морского и дельтового генезиса (около 41,6 млрд т нефти и 19,4 трлн м³ газа). Второе место занимают лагунные и шельфовые известняки и доломиты (29,2 млрд т нефти и 16,7 трлн м³ газа) [Геодекян и др., 1988].