Аутигенные минералы в мерзлых отложениях

Криолитогенез в широком понимании рассматривается как процесс диагенеза и выветривания. Если процесс криогенного выветривания выступает, прежде всего, как процесс дезинтеграции вещества, то диагенез приводит к формированию качественно новых литологических характеристик и свойств рыхлых пород и в том числе к образованию новых (аутигенных) минералов, входящих в состав скелета, образование которых связано с промерзанием и протаиванием рыхлых отложений. Аутигенные минералы являются важнейшим показателем условий формирования четвертичных отложений и последующих изменений, происходящих в них в процессе диагенеза. Они отражают основные физико-химические процессы при осадконакоплении и дальнейшем преобразовании в той или иной природной обстановке. Состав аутигенных минералов и их количество тесно связаны с фациально-генетической принадлежностью осадка, что позволяет анализировать комплексы плейстоценовых отложений и делать выводы об их генезисе, условиях образования и дальнейшего диагенеза.

Процесс образования аутигенных минералов идет при диагенезе осадков, который включает в себя: а) дегидратацию, б) осаждение коллоидных и аморфных фаз, в) кристаллизацию компонентов, находящихся в растворе; г) ионный обмен между поверхностно-активными компонентами; д) накопление элементов примесей; е) перераспределение компонентов в осадке, приводящее к агрегации и цементации минеральных зерен с образованием агрегатов и конкреций. При этом процесс аутигенеза контролируется изменениями окислительно-восстановительного потенциала и кислотно-щелочного режима в формирующихся осадках. Образование аутигенных минералов также тесно связано с биохимическими процессами, которые обусловлены жизнедеятельностью микроорганизмов и разложением органического вещества.

Скорость изменения физико-химических параметров и перераспределение компонентов зависят от исходного состояния среды: субаквальной или субаэральной обстановки. В субаквальной среде возрастание плотности осадка и выжимание воды приводят к локальной цементации обломочных зерен аутигенными минералами и образованию конкреций, концентрирующих элементы примесей (Zn, Со, Cu и др.). Диагенез отложений в субаэральных условиях характеризуется необходимостью первоначальной гидратации осадка для обеспечения ионного обмена между поверхностно-активными компонентами (глинистыми минералами, колломорфными окислами, органическими комплексными соединениями) и последующей концентрации растворимой и аморфной фаз.

Преобразование осадков в субаэральной обстановке трудно разделить на диагенетическое и почвенное. Процессы почвообразования за счет значи­тельного накопления гумуса и биофильных элементов (Nа, Р, S, Са, К), присутствия большого количества высокодисперсных веществ (глинистых минералов, окислов Аl, Fе, Мg и органоминеральных веществ), обогащения почвенных растворов СО₂, углеводородами, водорастворимыми солями и микроэлементами определяют ход формирования аутигенных минералов в приповерхностных частях разреза рыхлых отложений. Промерзание приводит к формированию преимущественно восстановительной обстановки, тем более, что при льдообразовании образуется дополнительный атомарный водород, а протаивание ведет к выделению кислорода из воздушных включений тающего льда, улучше­нию аэрации грунтов, что определяет окислительные условия; рН растворов при этом может меняться как в сторону кислых, так и щелочных значений. Поэтому в отложениях деятельного слоя могут одновременно находиться аутигенные минералы, образование которых идет при различных параметрах рН и Еh среды. Причем зона окисления чаще всего развивается только в верхней части сезонноталого слоя, нижняя же часть разреза характеризуется восстановительными условиями. Такая резкая изменчивость может наблюдаться и в горизонтальной плоскости, например, при развитии структурного микрорельефа. Наиболее активное изменение потенциала Еh идет на контакте лед – грунт, что определяет местоположение основного объема аутигенных минералов.

Специфичность образования аутигенных минералов в зоне криолитогенеза определяется также ролью различных категорий воды в составе мерзлых грунтов. Так, свободная вода участвует в процессах преобразования минералов в теплый период только в сезонноталых грунтах; в вечномерзлых грунтах в процессах преобразования отложений может участвовать только незамерзшая (связанная) вода, находящаяся во взаимодействии и динамическом равновесии со льдом и частицами скелета. Наиболее активна талая вода, так как она обладает повышенной растворяющей способностью и активно участвует в выщелачивании отложений. Помимо этого, миграция влаги и льдообразование приводит к перемещению и переотложению материала, его сортировке, образованию агрегатов, слоистости и микроконкреций. Осаждение гидрогелей и коагуляция коллоидов также имеют свою специфику – дегидратация коллоидов идет не за счет высыхания, а за счет льдообразования. При этом коагуляция протекает медленнее и не до полного иссушения коллоидов, что определяет метастабильное состояние коллоидных образований и их приуроченность к включениям льда. Гумусовые соединения при промерзании обычно фракционируются и коагулируются; при промерзании возможно их разрушение, за счет чего увеличивается доля фульвокислот, активно воздействующих на минералы частиц скелета.

Основные группы аутигенных минералов в мерзлых отложениях:

1. Соединения железа и марганца:

а) гидроокислы железа (гетит, гидрогетит, лепидокрокит, лимонит) и марганца (криптомелан, манганит);

б) окислы железа (гематит, маггемит);

в) сульфиды железа (мельниковит, макинавит, пирит).

2. Карбонаты (кальцит, арагонит, марганцовистый кальцит, мангано-кальцит, железистые доломиты).

3. Сульфаты (гипс, ангидрит).

4. Фосфаты (вивианит, фосфат кальция).

Соединения железа и марганца. Железо появляется в грунтах при разложении растительных остатков и выветривании минералов, чаще всего глинистых. Оно не может существовать в форме простых ионов и образует гидроокиси или железо-органические соединения, которые при промерзании частично дегидратируются, осаждаются и образуют во льду аморфные облаковидные агрегаты. При увеличении концентрации гелей и коллоидных растворов при промерзании или циклическом промерзания—оттаивания происходит их осаждение с образованием гидроокисей.

На первой стадии преобразования осадка образуется бурая аморфная окись железа – ферригидрит (2,5_*FeO_*4,5H₂0) прежде всего на контакте лед—частица, а также на границе ледяных шлиров, При этом образуются стяжения, агрегаты губчатого строения, корочки и чешуйки на поверхности минеральных частиц. При дальнейшей дегидратации ферригидрит может переходить в лимонит (FeO_*OH+H₂O), гидрогетит (FeO(OH)_*H₂O) и гетит (a FеО(ОН)), часто находящихся совместно.

Реже встречаются окристаллизованные формы гидроокисей железа. Так, в отложениях ледового комплекса X. Зигерт был обнару­жен лепидокрокит (g FеО(ОН)), встречающийся в виде мелких игольчатых кристаллов. Предпосылкой для возникновения лепидокрокита является гидроморфность условий при замедленном течении реакции окисления, что характерно для растворов высоким содержанием углекислоты при низкой температуре и наличии свободного кремнезема, что характерно для льдистых алевритов. Это позволяет считать лепидокрокит весьма типичным аутигенным минералом сингенетических мерзлых толщ.

Рис. 5.5. Новообразования железа в мерзлых отложениях.

а – аморфный гель ферригидрита, аласные отложения; б – стяжения гидрооксидов железа в сегрегационном льду, ледовый комплекса; в – агрегат кристаллов гидрогетита, ледовый комплекс; г – новообразования оксидов железа, ледовый комплекс.

Окислы железа – гематит (Fe₂O₃), маггемит (Fe₂O_{3 *}Fe₂O₃), магнетит (FeO_*Fe₂O₃) – как аутигенные минералы распространены меньше, чем гидроокислы и характерны для более континентальных районов. Эти минералы образуются при резком изменении геохимической обстановки от окислительных до восстановительных условий и колебаниях влажности. Они обнаружены в отложениях ледового комплекса и озерных отложениях Центральной Якутии в виде тонкодисперсных выделений на поверхности частиц и слабо окристаллизованных стяжений по растительным остаткам [Зигерт, 1981].

Сульфиды железа часто наблюдаются визуально на свежих зачистках стенок обнажений или керна скважин в виде сажистых пятен, наиболее характерны для аласных и озерных отложений с высоким содержанием растительных остатков. Сульфиды железа являются четкими индикаторами восстановительных условий.

Наиболее характерным минералом сульфидов железа в синкриогенных отложениях является грейгит (мельниковит – FeS_*Fe₂S _* (Fe₃S₄)). Встречаются также смеси смайтита (Fe₃S₄), грейгита и макинавита (Fe₉S₈). Сульфиды железа в аласных отложениях наблюдаются в виде осажденных на поверхность частиц шаровидных или почковидных стяжений с губчатой поверхностью, иногда в виде древовидных агрегатов или корочек на поверхности частиц и агрегатов скелета. Чаще всего сульфиды железа образуют микроконкреции в соединении с другими аутигенными минералами – карбонатами и гидроокислами железа.

Основная масса новообразований железа в мерзлых поро­дах наблюдалась в виде железо-глинистых конкреций размер от долей миллиметра до 1–2 мм. Они имеют концентрическое строение; в центре наблюдается либо частица песчано–пылеватой фракции, либо пора, в мерзлом состоянии заполненная льдом. Новообразования железа в таких конкрециях имеют вид тонких листочков или чешуек, переслаивающихся с глинистыми частицами. Железо-глинистые конкреции широко распространены в грунтах деятельного слоя и играют важную роль в формировании микроструктуры покровных образований.

Образование железа часто идет совместно с марганцем, в результате чего образуются железомарганцевые конкреции. Они имеют четкую шаровидную форму, полигональную поверхность, сотовое строение. Железомарганцевые конкреции типичны для пойменных фаций ледового комплекса, аласных и озерных отложений, приурочены к наиболее льди­стым участкам, к контактам с ледяными шлирами.

Наряду с новообразованиями железа широкое развитие в мерзлых толщах имеет аутигенез карбонатов и сульфатов. Минералы этих групп встречаются в современных и древних склоновых, озерных, аласных, пойменных отложениях. В отложениях ледового комплекса обнаружены аутигенные минералы карбонатного состава нескольких генераций: полиморфные (кальцит, арагонит) и изоморфные (манганокальцит, родохрозит) модификации карбоната кальция, сидерит, витерит, а также сложные комплексные железисто-глинистые карбонатные соединения.

Кристаллы гипса обнаружены в прослоях ледогрунтовых жил правобережья р. Колымы. Образованию карбонатов и сульфатов способствуют гидрокарбонатный состав вод зоны вечной мерзлоты и их криогенная метаморфизация [Анисимова, 1971]. Льдообразование, как известно, сопровождается повышением концентрации растворимых компонентов и приводит к выпадению труднорастворимых солей, в частности, карбонатов и сульфатов. Большая часть их при протаивании обратно в раствор не переходит.

Фосфаты, и прежде всего вивианит (Fe₃(PO₄)_2*8H2O), характерны для аласных, озерных и старичных отложений. Вивианит образует в грунтах пятна и корочки, чаще всего на растительных остатках, которые после непродолжительного окисления на воздухе приобретают синий или фиолетовый цвет. Под микроскопом вивианит имеет вид мелких древовидных кристаллов, собранных в агрегаты. Как правило, вивианит развивается на участках, богатых органикой, поэтому агрегаты содержат растительные остатки, остатки скелетов диатомовых и микроорганизмов. Определенной связи между льдообразованием и образованием вивианита обнаружено не было, но известно, что образование вивианита идет только при медленном окислении железа, а в условиях мерзлой зоны этому могут способствовать низкие значения температуры.

Тест к разделу №5

1. Матрикс – это:

а) пустотное пространство между зернами;

б) обломки пород;

в) химически осажденный материал, заполняющий пространство между

зернами;

г) обломочный материал алевритовой и глинистой размерности.

2. Что НЕ относится к глинистым минералам:

а) иллит; б) альбит; в) каолинит; в) хлорит

3. В какой породе больше общая пористость:

а) песчаная; б) авлевритовая; в) глинистая

4. Расположите микроструктуры по порядку возрастания общей пористости:

а) ламинарная; б) ячеистая; в) турбулентная.

5. Какой тип криогенной текстуры соответствует матричному типу микростроения:

а) сетчатая; б) массивная; в) линзовидно-плитчатая; г) косослоистая

6. Для отложений какого генетического типа характерно наличие частиц угловатой формы, со сколами, царапинами и трещинами на поверхности:

а) аллювиальные пески; б) ледниковые отложения;

в) почвы; г) эоловые пески

7. Связи, возникающие при изменении структуры грунта при его промерзании в результате выпадении солей из почвенного раствора, называются:

а) кристаллизационными; б) криоконсолидационными;

в) электростатические г) льдоцементными

8. Какая группа аутигенных минералов характерна для мерзлых толщ, испытавших неоднократное чередование промерзания–протаивания

а) сульфаты б) соединения железа в) карбонаты г) фосфаты

9. Какой из минералов НЕ относится к новообразованным:

а) лед б) лимонит в) полевой шпат г) кальцит

10. Коагуляция это:

а) измельчение твердых веществ; б) укрупнение мелких частиц;

в) способность частиц смачиваться; г) удаление воды из породы.

Лабораторная работа №5