Последняя модель доломитизации, модель формационных вод, отработана еще не полностью, но, вероятно, она будет иметь некоторое значение для случаев, когда в глубоко погребенные пласты известняков поступают поровые воды, отжатые из аргиллитов. Высвобождение Mg2+ и Fe2+ из монтмориллонитовых глин при их переходе в иллитовые может вызвать доломитизацию или анкеритизацию предшествующих кальцитовых минералов, а также выделение доломитового или анкеритового цемента, если имеется источник ионов Ca2 + и СО32-, например, при окислении органического вещества. Такой доломит, по-видимому, всегда бывает железистым, а в связи с участием в его образовании метана, бедного изотопом 13С, или вследствие реакций декарбоксилации, вызванных нагревом, сам характеризуется резко отрицательным коэффициентом д13С. Так как доломит образуется в ходе реакций глубокого погружения, в нем должны проявляться структурные признаки позднего выделения из раствора или замещения других минералов.
Интересный, но относительно редкий случай доломитизации представляет собой тонкое переслаивание доломита и кальцита, имеющее место во многих древних строматолитах, где доломит концентрируется в темноокрашенных преимущественно водорослевых слоях. По-видимому, водорослевые нити предпочтительнее накапливают Mg2+ и, очевидно, не без помощи бактерий способствуют выпадению в осадок высокомагнезиального кальцита. В восстановительной среде в пределах отмершей части строматолита при высоком рН происходит переход СО2, образованного путем фотосинтеза или распада водорослей, не в HCO3-, а в СО32-. Выпадению доломита, следовательно, способствует высокая щелочность. Важная роль щелочности в кристаллизации доломита иллюстрируется хотя бы тем фактом, что и в лагуне Куронг, Австралия, и в лагунах Бонэр, Антильские острова, образование доломита происходит из рассолов с высоким содержанием СО32- , тогда как в обычной морской воде ион НСОз количественно превосходит ион СО32-, и поэтому последнего недостаточно для участия в построении решетки доломита (рис. 6).
Рис. 6. Изменение соотношения компонентов щелочности морской воды в зависимости от рН.
Этот раздел мы закончим, коснувшись некоторых других моментов, связанных с доломитизацией. Имея дело с доломитовой породой в прозрачном шлифе, исследователь должен внимательно искать признаки замещения, такие, как «теневые структуры» или замещенные аллохемы. При образовании доломита в частично закрытой системе (без привноса СО32-) в результате замещения известняка и миграции избытка Ca2 + должно происходить уменьшение объема, так как плотность доломита больше плотности кальцита (2860 кг • м-3 2720 кг • м-3 соответственно). При этом должна появиться характерная межзерновая пористость в объеме около 10%. Признаками многостадийного формирования доломита могут служить линии остановки роста внутри кристаллов (рис. 7). Если доломит ранней генерации был железистым, то пленки окислов железа на поверхностях остановки роста будут свидетельствовать о том, что минерал временно находился в окислительной среде. Растворение доломита и замещение его кальцитом - так называемая дедоломитизация (рис. 7, г, д) - обычно развиваются там, где доломитовые породы были промыты вадозными атмосферными водами, обогащенными ионами SO42-. Такая обстановка часто встречается под выщелоченными эвапоритовыми толщами, наиболее типичные примеры которых известны в юрских отложениях центральной части Аравийского полуострова и в цехштейне Европы. По всей вероятности, сульфат-ионы способствовали переводу доломита в раствор и кристаллизации кальцита. Здесь мы имеем дело с обратной стороной отмеченного выше явления, когда речь шла о том, что выделение SO42- в виде гипса служит предварительным условием доломитизации.
Рис. 7. Схематический разрез через незамкнутый прибрежный водоносный горизонт. Виден подток метеорных вод к морю и зона их смешения с морскими подземными водами [8]. УВВ - уровень высокой воды; УМВ - уровень малой воды
Эвапоритовый седиментагенез в истории земли
Эвапоритовое осад кона копление, связанное с процессами испарения морских и континентальных вод, формированием рассолов различной концентрации и разного состава и их воздействием на диагенетические и эпигенетические преобразования осадков и пород, а также на образование рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых, исключительно широко развито в природе и отличается большой сложностью и разнообразием. Только в последние годы в результате глобальных обобщений материалов по эвапоритовым бассейнам и фундаментальных геохимических и физико-химических исследований стало выясняться не только значение эвапоритового процесса в общем круговороте веществ на Земле, но и его влияние на многие процессы осадочного породообразования и рудообразования, в том числе на карбонатонакопление, доломитообразование, фосфатонакопление, формирование залежей калийных солей, углеводородов, железных руд, руд цветных металлов. Имеющиеся в настоящее время данные позволяю т наметить общие черты этапности эвапоритового седиментогенеза в истории Земли и выделить в каждом из этапов характерные особенности, свидетельствующие об эволюции палеогеографических, палеотектонических и физико-химических обстановок седиментации в геологической истории.
История эвапоритового седиментогенеза достаточно отчетливо подразделяется на шесть этапов, отличающихся различной продолжительностью и характерными только для них особенностями размещения эвапоритовых бассейнов и поясов осадконакопления: архейско-средне-протерозойский, позднепротерозойский, венд-палеозойский, триасовоюрский, мел-палеогеновый, неоген-современный. Рассмотрим наиболее важные черты палеогеографических и палеотектонических условий эвапоритовой седиментации каждого этапа, на основе которых можно выяснить основные закономерности эволюции галогенного осадконакопления в истории развития Земли.
Архейско-среднепротерозойский этап. Проблема эвапоритового осадконакопления в архейское и протерозойское время тесно связана с решением гораздо более сложной проблемы первичного состава вод до кембрийских морских бассейнов, потому что от этого будет зависеть состав и последовательность выпадения осадков при сгущении морской воды в процессе испарения. Существующие представления о составе архейско-раннепротерозойской морской воды основываются на различных предложениях и весьма противоречивы. Наиболее широкое признание в настоящее время имеет предположение, что архейские океаны не должны были содержать растворенный сульфат, а катионы должны были балансироваться СГ и НСОз, причем в отличие от современной морской воды концентрация НСОз могла быть выше примерно в четыре раза, в значительном количестве могло присутствовать растворенное железо, а содержание кальция и магния было повышено. Трудно сказать, какого состава получились бы эвапоритовые осадки при испарении такой океанской воды. Но в случае возникновения благоприятных геологических условий в эвапоритовых бассейнах архея могли бы накапливаться карбонатные и соленосные бессульфатные отложения.
При определении обстановок существования эвапоритовых бассейнов осадконакопления в архее и раннем протерозое большое значение имеет климатическая зональность и возможность установления аридных зон на континентах. Важно в этой связи отметить, что положение климатических зон на континентах зависит не только от общих закономерностей в циркуляции атмосферы и направлений морских течений в гидросфере, но и от размеров самих континентов и пространственного их положения относительно друг друга и экватора. Поскольку, как сейчас предполагается, размеры континентов в докембрии могли быть значительно меньше современных, то условия для эвапоритовой седиментации на тех из них, которые располагались в древних аридных зонах, должны были быть менее благоприятными, чем в фанерозое. Подобное допущение позволяет предположить, что геологические обстановки архея и раннего протерозоя способствовали существованию таких эвапоритовых бассейнов, которые находились преимущественно на карбонатной стадии развития. В этих бассейнах создавались благоприятные условия для формирования доломитовых отложений.
Поэднепротерозойский этап. В настоящее время можно с достаточной уверенностью говорить о существовании бассейнов эвапоритового сульфатонакопления, начиная с 2 млрд лет, когда в водах Мирового океана, по-видимому, уже сформировался сульфатный резервуар. Однако широкое развитие эвапоритовых отложений документально зафиксировано со среднего рифея (приблизительно со времени 1,3 млрд лет). Заведомо эвапоритовые бассейны рифейского возраста выявлены сейчас во многих регионах Земли. Два из них -- Маккензи, и Коппермайн -- находились на северо-западе Канады в Скалистых горах и на окраине Канадского щита, один -- Гренвильский -- на юго-востоке Канады, еще один -- Баффиновский -- в пределах Канадского Арктического архипелага, два -- Туле и Мёркебьерг -- на севере Гренландии, один -- Амадиес -- в Австралии. Кроме того, значительное количество сульфатопроявлений установлено во многих районах Западной, Северной и Восточной Австралии. Во всех этих бассейнах развиты мощные сульфатные толщи, имеющие региональное распространение. В бассейне Амадиес глубокими скважинами вскрыты пласты каменной соли в составе формации Биттер-Спрингс, возраст которых древнее 1170 млн лет. Состав и строение сульфатоносных и соленосных рифейских толщ однозначно свидетельствуют об их эвапоритовом происхождении за счет испарения морских вод. Карбонатных эвапоритовых бассейнов в позднем протерозое существовало достаточно много. Большое их число намечается в раннем, среднем и позднем рифее по окраинам Сибирского кратона, на Южно-Китайской и Северо-Китайской платформах, в пределах периферийных зон Северо-Американской и Африкано-Аравийской плит, в Австралии, в Южной Америке, на Урале. Можно предположить, что в этих бассейнах возникали благоприятные условия для формирования не только доломитовых, но также и магнезитовых и магнеэит-доломитовых эвапоритовых отложений. Эвапоритовые бассейны позднего протерозоя, как правило, располагались на окраинах древних континентов и были широко связаны с открытыми морями, что и определяло длительное накопление в них осадков либо карбонатной, либо сульфатной стадий развития эвапоритовой, седиментации. В очень редких случаях, как это имело место для бассейна Амадиес, эвапоритовый водоем находился в глубине достаточно крупного континента и соединялся с океаном протяженным промежуточным бассейном, что создавало необходимые условия для достижения в этом водоеме галитовой стадии эвапоритовой седиментации.
В целом можно отметить, что позднепротерозойская эпоха была вполне благоприятна для эвапоритового осадконакопления, но палеогеографические и палеотектонические обстановки, связанные в первую очередь с небольшими размерами континентальных плит и их расположением в пределах обширных океанских пространств, препятствовали образованию большого количества солеродных бассейнов и способствовали формированию главным образом карбонатных и сульфатных бассейнов эвапоритовой седиментации.
Венд-палеозойский этап фиксирует в геологической истории первый крупный цикл эвапоритового морского соленакопления, связанный с закономерными изменениями палеогеографических и палеотектонических обстановок эвапоритовой седиментации. Наиболее грандиозный по размерам эвапоритовый бассейн вендского возраста, в пределах которого преобладала карбонатная седиментация, существовал на территории Сибирской платформы, но в отдельных районах (в Иркутском амфитеатре, Ангаро-Ленском прогибе, Прианабарье, Березовской впадине) накапливались сульфатные осадки и иногда каменная соль. Серия небольших по размерам сульфатных эвапоритовых бассейнов оконтурена вдоль северных и западных окраин Канадского щита, начиная от Гренландии и кончая бассейном р. Маккензи в Скалистых горах. Эвапоритовыми были крупные бассейны Антиатласа на северо-западе Африки и Месопотамский вдоль северного склона Аравийского щита. Вендские сульфатоносные бассейны выделяются также в Австралии (Амадиес), на Южно-Китайской и Северо-Китайской платформах. Все эти эвапоритовые бассейны представляли собой эпиконтинентальные водоемы, располагавшиеся преимущественно по окраинам континентов. Они отделялись от океана системами островов и крупных поднятий, иногда протягивающихся на сотни километров вдоль древних кратонов.
В кембрийском периоде существовали такие огромные солеродные бассейны, как Восточно-Сибирский, Ирано-Пакистанский и Маккензи, которые либо занимали значительную часть континентальных плит, либо были окраинными морями на периферии крупных кратонов. Они отделялись от открытого океана промежуточными бассейнами архипелагового типа, охватывавшими широкую область, состоящую из системы островов, зон мелководья, полуизолированных водоемов, соединенных между собой проливами. В ордовике, силуре и особенно отчетливо в девоне соленосные бассейны (Каннинг, Мичигано-Предаппалачский, Западно-Канадский, Гудзоновский, Восточно-Европейский, Северо-Сибирский, Чу-Сарысуйский, канадского Арктического архипелага и др.) стали занимать иное палеогеографическое положение. Они располагались хотя и в окраинных участках, но внутри континентов, и были типичными внутренними морскими водоемами. Связь их с океаном осуществлялась через промежуточные бассейны барьерного типа, которые представляли собой зоны островов, карбонатно-эвапоритовых и карбонатных плато с рифтогенными массивами и другими карбонатными сооружениями. Еще дальше в глубине континентов стали располагаться каменноугольные и пермские бассейны соленакопления, которые в своем большинстве были типичными внутренними морями. С океанами они соединялись, как правило, узкими и протяженными проливами. Такими были бассейны: Виллистонский, Маритайм, Парадокс и Игл, Амазонский, Центральноевропейский, Восточно-Европейский, Мидконтинента и др. Во второй половине палеозоя наряду с морскими соленосными бассейнами появляются континентальные, типичным примером которых является Чу-Сарысуйский.
И так, на протяжении венд-палеозойского этапа принципиально изменялись палеогеографическое положение и конфигурация соленосных бассейнов, а также характер их связей с открытым океаном. Это зависело от того, как размещались: на Земле океаны, континенты и моря и какими были размеры суши. В геологической истории от венда до перми фиксируется общее увеличение континентальных масс и последовательное объединение разрозненных материков в единый крупный континент -- Пангею. Одновременно с этим процессом происходило закономерное смещение бассейнов, эвапоритовой седиментации в глубь континентов, в пределы все более обширных аридных областей суши.
Подобные изменения палеогеографических и палеотектонических обстановок эвапоритового осадконакопления были причиной необратимых качественных преобразований морского соленакопления. На протяжении от венда до карбона, когда эвапоритовые бассейны, как правило, располагались на окраинах континентов и имели широкие и свободные связи с океаном, эвапоритовая седиментация во всех бассейнах сопровождалась сульфатно-кальциевым (гипсовым) осадконакоплением и хлоридным соленакоплением. В пермскую эпоху, когда существовали крупные солеродные бассейны' внутри континентов, а их связи с открыты ми морями были затруднены, в них впервые создались благоприятные условия для эпсомитового и гексагидритового осадконакопления, что способствовало образованию кизеритсодержащих отложений, а также накоплению бишофитовых осадков.
Триасово-юрский этап. С триасового периода начался новый крупный мезозойско-кайнозойский цикл эвапоритового морского соленакопления, связанный с последовательным расколом Пангеи, образованием Тетиса и Атлантического океана и соединенных с ними обширных зон эвапоритового осадконакопления в аридных областях прилегающих континентов. В позднем триасе--ранней юре в центре Пангеи сформировалась огромная область эвапоритовой седиментации, охватывающая северо-западные и западные районы Африки, значительную территорию Западной Европы и Северной Атлантики, а также шельфовую зону Северной Америки от Ньюфаундленда до Кубы. Здесь существовала серия связанных между собой крупных, средних и мелких солеродных бассейнов, которых сейчас более 35.
Эвапоритовая область Центральной Пангеи была уникальной по своим размерам в истории фанерозоя. Она занимала площадь более 10 млн км2, которая в виде изогнутой зоны, сужающейся на юго-запад и расширяющейся на северо-восток и восток, вдавалась более чем на 5000 км в глубь континента. Солеродные бассейны, несмотря на то что некоторые из них были сильно удалены от открытого океана, по-видимому, имели хорошие связи с Тетисом через широкую область карбонатно-эвапоритового плато, где имелось значительное число достаточно глубоких проливов. Возможно, серия проливов, приуроченных к крупным трансформным разломам, таким, как Бискай-Лабрадорский и Нью фаундленд-Гибралтарский, соединяла солеродные бассейны между собой, а также некоторые из них с открытым морем. Бассейны соленакопления представляли собой эпиконтинентальные и акраинно-континентальные моря. Промежуточная область эвапоритово-карбонатного плато занимала шельфовую зону океана Тетис, имевшую ширину свыше 1000 км. Вдоль южной и юго-западной окраин Тетиса на территории восточной периферии Африкано-Аравийского континента в позднем триасе и ранней юре находился еще один пояс эвапоритовой седиментации, в состав которого входила серия весьма значительных по размеру прибрежных сульфатоносных и соленосных бассейнов. Наиболее крупными из них были Месопотамско-Аравийский, Сомали-Эфиопский, Мандера-Лук, Сакамена, Мондава и Мозамбикский. Пояс протягивался более чем на 7000 км. Эвапоритовые бассейны были окраинно-континентальными и имели хорошие связи с океаном.