Образцы продолжают рассказывать
Виталий Кузнецов,
доктор геолого-минералогических наук,
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина (Москва)
«Природа» №5, 2018
В № 4 «Природы» за 2017 г. была опубликована заметка об информации, которая содержится в образце осадочной горной породы и которую пытливый исследователь может извлечь, рассматривая образец*. Для геолога-профессионала образец — это кусок горной породы, руды, минерала с точной привязкой к месту его нахождения и отбора (географический адрес положения карьера, обнажения и конкретного слоя, номер скважины, глубина отбора образца и т. д.).
Существует, однако, много образцов, места отбора которых неизвестны. Но такие образцы могут содержать интересную и важную информацию (например, по обстановкам и механизмам образования). Хотя научная ценность подобных экземпляров невелика, для любителей камня они привлекательны и познавательны. Можно, наконец, отметить еще один, промежуточный вариант, когда известны район и примерный возраст образца, а точная привязка отсутствует. Подобным объектам и посвящена эта заметка.
Речь пойдет о израильских верхнемеловых известняках — иерусалимском камне. Распиленный на плитки, он идет на облицовку зданий — как в самом Иерусалиме, так и в окрестных городах и поселках. Расположенные на многочисленных холмах белоснежные здания создают неповторимый облик древнего библейского города.
Скажем сразу, что все приведенные ниже выводы сделаны на основе обычных полевых наблюдений, без какой-либо специальной техники. Подобный анализ доступен каждому наблюдательному и внимательному человеку и не обязательно классному специалисту.
Известняки представляют собой светло-серую, серую или желтовато-серую породу однородной микрозернистой структуры с остатками организмов, которые, распределяются в породах неравномерно. В нашем случае — это двустворки (пелециподы) и улитки (гастроподы). Подобные структуры позволяют полагать, что осаждение материала происходило в спокойных условиях при очень слабой гидродинамической активности. Именно это и позволило осадиться и зафиксироваться на дне очень мелким зернам кальцита (СаСО3). Присутствие остатков фауны (в частности пелеципод) указывает на водные условия, а ее разнообразие свидетельствует о благоприятных для жизни разных групп условиях водоема, что характерно для морей среднеокеанической солености.
В перпендикулярных слоистости сечениях — как в обнажениях, так и на многих образцах — видны многочисленные зубчатые линии, которые иногда соприкасаются друг с другом (рис. 1). Это так называемые стилолиты, или, точнее, стилолитовые швы.
Стилолиты — очень яркие и интересные образования в осадочных породах. Они известны с середины XVII в., а сам термин «стилолит» состоит из двух греческих слов: στγλοσ — ‘столб’ и λγτοσ — ‘камень’. Определение же стилолитов как более или менее совершенной формы столбчатой отдельности появилось в середине XIX в.
Строго говоря, термин «стилолит» имеет два значения: частное — единичный столбец, шип, зубец и общее — название сложного образования в осадочных породах. В плоском сечении (стенке обнажения, карьера, в керне скважин) стилолитовый шов представляет собой зубчатую, извилистую, нередко сложной конфигурации, границу между двумя слоями, которая обычно зафиксирована тонкой глинистой прослойкой (см. рис. 1). В пространстве — это бугристая поверхность.
Существует ряд морфологических классификаций стилолитов. Так, малоамплитудные поверхности, точнее швы, называют сутурами.
При всем существовании многочисленных мнений об образовании стилолитов на сегодняшний день практически общепринято (с незначительными вариациями) представление об их формировании в результате растворения в условиях дифференцированного давления. Идея предложена известным естествоиспытателем Э. К. Фуксом еще в 1894 г.
Для реализации подобного механизма необходимы два условия. Во-первых, возможность фильтрации вод, способных растворять исходный материал и выносить продукты растворения. Поэтому подобные текстуры развиты преимущественно в карбонатных (известняках и доломитах) и сульфатных (гипсах и ангидритах) породах, хотя встречаются и в других. Во-вторых, наличие исходного неровного контакта, который обеспечивает возникновение разного давления в нескольких точках. Такая неровность может быть обусловлена структурными различиями сопряженных участков породы, неровными стенками исходных трещин и др.
Рис. 2. Схема формирования стилолитов. Сверху вниз: распределение давления в зонах выступов и ложбин и на их склонах; появление выступов-шипов, ориентированных как вверх, так и вниз; образование глинистого прослоя, который фиксирует сформировавшуюся стилолитовую поверхность
Дело в том, что при наличии неровностей давление в зонах выступов (и соответственно ложбин) больше, чем на их склонах. Согласно принципу Рикке, растворение вещества происходит интенсивней там, где выше давление. Таким образом, вещество над выступом (и под ложбиной) будет растворяться быстрее, и первичная, весьма незначительная неровность становится все более контрастной, бугристой. Появляются выступы-шипы, ориентированные как вверх, так и вниз (рис. 2). Образующийся при этом нерастворимый глинистый остаток в виде тонкой пленки фиксирует сформировавшуюся стилолитовую поверхность. Распределение глинистой составляющей часто неравномерно: в вершинах зубцов находится пленка глинистого материала, а на их склонах нередко остаются лишь отдельные глинистые примазки и чешуйки. Сама же вертикальная плоскость (грани шипов и зубьев) несет следы перемещения и притирания — это называется зеркалом скольжения.
Стилолиты в основном возникают в твердой, уже сформировавшейся породе, но в ряде случаев они начинают образовываться еще в пластичной, хотя и обезвоженной субстанции.
В большинстве случаев формирование стилолитов определяется действием давления вышележащих отложений, и стилолитовые швы относительно параллельны слоистости. Наблюдаются, однако, и секущие стилолитовые швы (как это видно, например, на рис. 3). Дело в том, что при боковых растягивающих напряжениях образуются трещины, секущие слоистость. Затем при последующих сдавливающих «стрессовых» напряжениях, поскольку стенки этих трещин не идеально гладкие (имеются неровности, выступы и впадины), реализуется тот же процесс — и формируются секущие слоистость стилолитовые швы. Ориентировка соответствующих шипов позволяет определить направление подобных напряжений.
Рис. 3. Стилолит, секущий слоистость
От общей картины известняков перейдем к некоторым деталям уже на конкретных образцах иерусалимского камня.
На рис. 4 показаны разные стороны одного образца. Поскольку он обособлен, никак не ориентирован, первое, что надо сделать, — как-то определить его положение в пространстве, установить, хотя бы верх и низ. Ключ к решению данной задачи находится на самом образце в виде так называемого геологического уровня, или геопетальной структуры.
Рис. 4. Фотография образца с трех сторон. Стрелками показаны: раковина — «геологический уровень» (а) и поверхность зеркала скольжения (б)
На одной стороне образца мы видим раковину пелециподы, частично заполненную осадком. После разложения тела моллюска полость раковины обычно заполняется вмещающим ее илом. В случае неполного заполнения поверхность этого внутрираковинного осадка будет плоской и будет соответствовать горизонту времени осадконакопления. В коренном залегании угол наклона и ориентировка такой поверхности позволяют точно определить направление и величину последующих тектонических движений. Это особенно важно в случае массивного строения осадочного тела, когда нет первичных плоскостей напластования. Такой метод весьма значим и при изначально наклонном положении слоев, что также не редкость. Учитывая это обстоятельство, мы сориентировали фотографию данного образца.
Отметим, попутно, что поверхность внутрираковинного осадка, равно как и внутренние стенки раковины вне этого заполнения, инкрустированы мелкими кристалликами кальцита, которые образовались из насыщенных карбонатом кальция вод, заполнявших в диагенезе полость.
Верхние и нижние поверхности образца ограничены стилолитовыми поверхностями, т.е. они формировались под нагрузкой вышележащих отложений, а не бокового давления.
Кстати, на правом рисунке отчетливо видны борозды, возникшие в результате трения при перемещении верхней части породы относительно нижней, — зеркало скольжения.
Рис. 5. Схематическая зарисовка поверхности образца: 1 — ориентированные наклонно раковины, 2 — отдельный столб стилолита, 3 — исходный первичный известняк, 4 — зоны уплотнения, прилегающие к стилолитовой поверхности
Кроме того, имеются еще две интересные особенности. Во-первых, плотность известняка между стилолитовыми поверхностями неодинакова — она явно больше вблизи поверхностей и, соответственно, ниже верхней и выше нижней. К сожалению, на фотографии это не очень видно, поэтому на рис. 5 приведена схематическая зарисовка. Уплотнение справа вверху, непосредственно под шипом, проявилось сильнее и, главное, прослежено глубже в породу.
Во-вторых, раковины вблизи мощного шипа сверху (см. рис. 5) имеют ясный наклон, направленный к данному шипу, хотя первичное, прижизненное положение раковин было более или менее горизонтальное. Объяснить это, видимо, можно тем, что образование стилолитов происходило вскоре после накопления осадка, который имел еще пластичную консистенцию. Именно сжатие пластичного осадка обусловило уплотнение прилегающих к стилолитам участков, и одновременно (поскольку оно распределялось по осадку-породе не очень равномерно) давление сверху формирующегося шипа уплотняло осадок и, соответственно, способствовало наклону раковин. Синхронно происходил еще один процесс. Дело в том, что возникающий при образовании стилолитов растворенный карбонатный материал частично выносится из системы, а частично осаждается в пристилолитовой зоне, способствуя ее дополнительному уплотнению.
Имеется еще одно, хотя и косвенное обстоятельство того, что данный процесс происходил на относительно небольшой глубине. Стилолитовая поверхность бурого цвета за счет наличия гидроокислов железа, которые образуются в окислительной обстановке. Наличие же свободного кислорода, как правило, возможно, в сравнительно небольшой толще осадка-породы, ибо глубже он расходуется на окисление уже в верхних горизонтах отложений.
Рассмотрим следующий образец иерусалимского камня. На рис. 6 приведена фотография пустотки в плитке внешней облицовки одного из зданий. В светло-сером, почти белом, микрозернистом известняке располагается каверна, размером примерно 2,2–2,5 на 3,0 см грубо овальной формы. Ее внутренняя поверхность выполнена плотно прилегающими друг к другу кристалликами кальцита, вершинки которых образуют своеобразную щеточку толщиной (высотой кристалликов) 1,5–2,5 мм. На левой стороне каверны ее верх и низ соединены своеобразной наклонной перемычкой, которая сложена тем же кальцитом. Нижняя ее часть более толстая — конусообразная, а верхняя более тонкая — цилиндрическая.
Рис. 6. Пустотка в облицовочной плитке иерусалимского камня. Справа — схема ее внутреннего строения: 1 — стенка раковины, 2 — щеточка кристаллов кальцита, инкрустирующих внутреннюю поверхность стенки раковины, 3 — микросталактит, 4 — микросталагмит
Формирование данного образования рисуется примерно в следующем виде. Полость, скорее всего, возникла внутри раковины-двустворки в результате разложения тела самого организма. В пользу этого, кроме формы пустотки, свидетельствует и ребристая внешняя поверхность.
После перекрытия раковины осадком, уже в иле, происходят так называемые диагенентические процессы. Иловая вода (в том числе в полости раковины) пересыщена бикарбонатом кальция CaH(CO3)2. В условиях свободного пространства внутри раковины из нее кристаллизуется кальцит. Принципиальная схема процесса может быть описана следующей реакцией: Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + H2O + CO2↑.
В процессе диагенеза водонасыщенный полужидкий карбонатный осадок превращается в твердую породу — известняк, а в результате последующих тектонических движений (и прежде всего — прогибаний) порода, включая и инкрустированную изнутри кальцитом пустотку, погружается на определенную глубину и теряет воду. Через какое-то время тектонические движения меняют знак (прогибание сменяется подъемом), порода оказывается практически на поверхности (или близко к ней), где происходят другие процессы. Один из них — просачивание сверху вниз через отложения поверхностных, в том числе метеорных вод. Фильтруясь через известняки, эти воды частично растворяют его (приведенная выше реакция идет в противоположном направлении). Попадая в открытую полость бывшей раковины, вода стекает по ее кровле к наиболее низкой точке, откуда по капельке падает вниз на дно каверны. Растворенный в воде бикарбонат вновь частично переходит в карбонат, который образует сосульку — тонкий цилиндрический столбик. Оставшийся в капле растворенный материал выпадает в твердую фазу уже внизу. Начинается рост столбика вверх, навстречу сосульке, пока они не соединятся и не образуют единый столбик.
По сути дела, здесь в резко уменьшенном масштабе реализуется процесс образования карстовых пещер со свисающими вниз сталактитами и растущими вверх сталагмитами.
Подобный процесс — формирование микросталактитов — происходит при падении капель строго вертикально вниз. Последующее, несколько отклоняющееся от вертикального, положение системы сталактит — сталагмит может быть обусловлено дальнейшими тектоническими движениями и вызванным ими наклоном. Но, скорее всего, не строго вертикальное положение нашего сталактита — сталагмита имеет техногенную природу и связано с наклонным обрезанием плитки.
* Кузнецов В. Г. Рассказывает образец осадочной породы // Природа. 2017. № 4. С. 58–60.
Рис. 1. Стилолитовые швы. Слева — в пласте, справа — их более детальное строение. Здесь и далее фото автора