Характеристика главных компонентов осадочных горных пород
Главными породобразующими компонентами осадочных пород являются:
1) реликтовые минералы и обломки пород;
2) минералы осадочного происхождения;
3) органические остатки;
4) вулканогенный материал.
Ниже рассмотрены породообразующие компоненты, за исключением реликтовых минералов, которые были охарактеризованы в главе, посвященной магматическим породам.
Минералы осадочного происхождения Группа кремнезема
Наиболее распространенные минералы этой группы — опал, халцедон и осадочный кварц.
Опал
S\2 • пН20. Аморфный.
п= 1,406—1,460.
Состав непостоянен. Содержание воды колеблется от 2 до 13— 14%, достигая иногда 34%. При нагревании часть воды теряется. Опал чаще всего бесцветен или молочно-белый, но иногда может в зависимости от примесей быть желтым, красным, голубым или черным. Блеск стеклянный до воскового. Полупрозрачные разности характеризуются опалесценцией. Плотность 1,9—2,5. В свежих забоях горных выработок нередко мягок, но на поверхности быстро
твердеет (максимальная твердость 5—6) и становится хрупким. Излом раковистый.
В шлифе бесцветен. Обычно изотропен, но иногда слабо дву-преломляет вследствие внутренних напряжений. Показатели преломления изменяются в широких пределах в зависимости от содержания воды, но их значения всегда намного ниже, чем у канадского бальзама. Характерны отрицательный рельеф и ясно выраженная шагреневая поверхность (первая группа по Лодочнико-ву). С помощью полоски Бекке опал можно легко отличить от аморфного фосфата, характеризующегося резким положительным рельефом. От галита, флюорита и цеолитов опал отличается отсутствием спайности. Шагреневая поверхность позволяет отличить опал в шлифе от глинистых минералов и канадского бальзама.
Осадочный опал отлагается в морских водоемах. Он входит в состав многих кремнистых пород, а также выполняет пустоты и трещины в глйЬах, песчаниках и известняках. Опал слагает скелеты диатомовых водорослей, радиолярий и губок. Известны натечные формы опала в виде сталактитов и кремнистых туфов. Опал легко переходит в халцедон и кварц. Этот минерал распространен преимущественно в кайнозойских породах, в мезозойских встречается реже, в палеозойских отсутствует.
Халцедон
БЮг. Сингония не установлена.
пе= 1,538—1,543; п0 = 1,530— 1,533; пе~п0 = 0,008—0,010.
Оптически одноосный, положительный.
Ориентировка оптической индикатрисы: пе\\с.
Халцедон является волокнистой или скрытокристаллическои разновидностью кварца. Некоторое различие в физических и оптических свойствах этих минералов объясняют наличием в халцедоне субмикроскопических пустот и небольшой примесью тонкорассеянного опала. Цвет белый, серый, светло-желтый, бурый, зеленый. Плотность 2,6. Твердость 6. Спайности не обнаруживает. Излом раковистый до занозистого.
В шлифе бесцветный. Цвета интерференции серые до белых. Имеются три разновидности халцедона, различающиеся по ориентировке оптической индикатрисы. У собственно халцедона волокнистые кристаллы имеют прямое погасание и отрицательный знак удлинения, у кварцина — прямое погасание и положительное удлинение, у лютецита — косое погасание (до 30°) к направлению удлинения. Минералы группы халцедона наблюдаются в шлифах в виде веерообразных пучков, сферолитов, микрозернистых корочек вокруг обломочных зерен, колломорфных выделений и т. д.
Халцедон можно спутать в шлифе с гипсом. Отличительным признаком являются более высокие, чем у гипса, показатели преломления (у гипса они всегда ниже 1,530). В сомнительных случаях вопрос может быть решен при помощи микрохимической ре-
акции на кальций. В микрозернистых агрегатах халцедон очень похож на кварц, от которого отличается только более низким светопреломлением.
Халцедон является продуктом раскристаллизации опала, а так-^ же выпадает непосредственно из растворов, отлагаясь в порах и кавернах различных пород. Иногда образует псевдоморфозы по другим минералам или органическим остаткам. Встречается обычно совместно с опалом и кварцем.
Кварц
В осадочных породах присутствует кварц терригенный — магматического происхождения и кварц осадочный, образующийся в условиях поверхности земной коры.
В настоящем разделе охарактеризован кварц осадочного происхождения. Кристаллооптические константы кварца приведены в главе, посвященной магматическим минералам (см. стр. 94).
Зерна магматического кварца, перешедшие в осадочные породы, обычно изометричные и более или менее окатаны. Осадочный кварц отличается от них отсутствием включений и неправильной формой, обусловленной формой той полости, в которой он отлагался. Иногда при заполнении пустот и трещин в породах образуются агрегаты довольно крупных кристаллов длиннопризматиче-ского габитуса. В эпигенетически измененных песчаниках можно встретить каемки обрастания вокруг обломочных зерен магматического кварца, представленные аутигенным кварцем, имеющим ту же оптическую ориентировку, что и обломочное зерно.
В шлифах кварц можно спутать со сходными по характеру двупреломления полевыми шпатами. Однако последние имеют спайность, плагиоклазы обычно полисинтетически сдвойникованы, для натриево-калиевых полевых шпатов характерен более низкий показатель преломления, чем у канадского бальзама, в то время как у кварца он выше. В микрозернистых агрегатах кварц похож на гипс. Для последнего в отличие от кварца характерны спайность, более низкие показатели преломления, двуосность.
Осадочный кварц отлагается непосредственно из растворов, а также образуется в результате перекристаллизации опала и халцедона. Он широко распространен в кремнистых породах, заполняет трещины, поровые пространства и другие полости в песчаниках и известняках.
Группа карбонатов
Минералы группы карбонатов имеют широкое распространение в осадочных породах. Наиболее важную роль среди них играют кальцит и доломит. Значительно реже встречаются сидерит, родохрозит, магнезит, анкерит.
Кальцит
СаСОз- Тригональный. п0 = 1,658; пе = 1,486; п0—пе = 0,172.
Оптически одноосный, отрицательный.
Ориентировка оптической индикатрисы: яе||с
Бесцветный или белый, при наличии механических примесей серый, желтый, розовый или голубоватый. Блеск стеклянный. Плотность 2,7. Твердость 3. Характерным диагностическим признаком является растворимость с бурным вскипанием в 10%-ной соляной кислоте. В осадочных породах кальцит встречается в виде зерен различной крупности, а также слагает оолиты и разнообразные органические остатки.
В шлифе кальцит бесцветен. В достаточно крупных зернах хорошо выражена спайность по ромбоэдру, наблюдающаяся в виде пересекающихся под острым углом трещин. Рельеф зависит от ориентировки сечения; в разрезах, параллельных оптической оси, видна отчетливая псевдоабсорбция. Интерференционная окраска белая высшего порядка. Иногда наблюдаются полисинтетические двойники. В карбонатных породах, сложенных кальцитом, зерна последнего обычно имеют неправильную «лапчатую» форму с характерными извилистыми контурами (рис. 92). В породах микрозернистого строения наблюдается агрегатная поляризация — отсутствие полного погасания при повороте столика микроскопа вследствие различной ориентировки мелких кристалликов кальцита.
Кальцит образуется в осадочных породах, или выпадая непосредственно из растворов, или как продукт жизнедеятельности организмов. Интенсивность осаждения кальцита из морской воды зависит от количества растворенной в ней углекислоты. Удаление СОг из раствора создает обстановку, благоприятную для выпадения СаС03 в осадок. Растворимость СОг понижается при низком давлении и высокой температуре водной среды. Наиболее благоприятные условия для осаждения кальцита — мелководные теплые моря.
Ромбическая модификация карбоната кальция называется арагонитом. От кальцита арагонит отличается двуосностью и характерной игольчатой или волокнистой формой кристаллов. В уело* виях земной поверхности арагонит неустойчив и быстро переходит в кальцит.
Доломит
CaMg(C03b. Тригональный.
л0 = 1,679; пе= 1,500; п0—пе = 0,П9.
Оптически одноосный, отрицательный.
Ориентировка оптической индикатрисы: пе\\с.
Бесцветный, белый, часто с желтоватым или бурым оттенком. Блеск стеклянный. Плотность 2,8. Твердость 3—4. В 10%-ной соляной кислоте вскипает только в порошке и при нагревании. Круп-
Рис. 92. Кальцит. Увел. 35, николи +.
Рис. 93. Доломит. Увел. 35, николи +.
ные кристаллы встречаются редко, более обычны мелкозернистые или пелитоморфные образования.
В шлифе доломит бесцветный. Характерны псевдоабсорбция и высокие цвета интерференции. Полисинтетические двойники встречаются значительно реже, чем у кальцита. Порода, сложенная доломитом, обычно имеет вид мозаичного агрегата более или менее однородных по величине ромбоэдрических зерен. В отличие от кальцита доломит, как правило, не образует кристаллов с извилистыми очертаниями. Ромбоэдры доломита иногда имеют зональное строение и содержат непрозрачные включения в центре кристалла (рис. 93).
Доломит образуется либо как первичный химический осадок, либо в результате эпигенетической доломитизации известняков. Минерал доломит слагает породу того же названия.
Сидерит
РеСОз. Тригональный.
п0 =1,875; ле= 1,633; п0—пе = 0,242.
Оптически одноосный, отрицательный.
Ориентировка оптической индикатрисы: пе\\с.
Серовато-белый, серый с зеленоватым оттенком, вследствие процессов окисления становится бурым. Блеск стеклянный. Плотность 3,5—3,9. Твердость 4—4,5. Холодная соляная кислота на сидерит почти не действует; в горячей соляной кислоте он растворяется, раствор при этом окрашивается в желто-зеленый цвет за счет образования хлористого железа. Макроскопически сидерит отличается от других карбонатов большей плотностью, нерастворимостью в холодной соляной кислоте и характерной бурой окраской, возникающей в результате перехода сидерита в водные окислы железа.
В шлифе сидерит бесцветен или окрашен в бурые цвета. В отличие от кальцита и доломита показатели преломления сидерита во всех сечениях выше, чем у канадского бальзама. Цвета интерференции высокие. Сидерит встречается в виде ромбоэдров, удлиненных шестигранников, микрозернистых агрегатов, оолитов и сфе-ролитов.
Образование сидерита происходит в восстановительных условиях, возникающих в осадке в конечную стадию диагенеза. Железо поступает в осадок главным образом в окисной форме и восстанавливается там органическим веществом. В связи с этим сидерит обычно ассоциирует с битуминозными глинами и алевролитами, а также с каменным углем. Минерал сидерит слагает породу того же названия, образует конкреции, линзообразные, гнездовидные и неправильной формы скопления в других породах.
Рассмотрев диагностические признаки наиболее распространенных карбонатов, можно констатировать, что все они характеризуются рядом специфических особенностей, позволяющих легко отличить их под микроскопом от любых других минералов. Карбо-
Y If- |
наты оптически одноосны, отрицательны, имеют очень высокое двупреломление, обусловливающее появление белой интерференционной окраски высшего порядка, переходящей на тонких срезах в перламутровые цвета. Характерно явление псевдоабсорбции. Насколько просто отличить карбонаты в шлифе от других минералов, настолько трудно различать их между собой, особенно в случае мелкозернистого строения породы. Однако имеется ряд признаков, помогающих определить карбонат под микроскопом. Эти признаки могут быть суммированы следующим образом.
ту |
too |
BOO 1000 I 'С |
Рис. 94. Кривые нагревания карбонатных минералов: / — кальцит: 2 — доломит: 3 —. сидерит |
1. Показатели преломления сидерита во всех сечениях выше, чем у канадского бальзама, в то время как у кальцита и доломита пе меньше 1,540.
2. Различная форма зерен для кальцита, доломита и сидерита.
3. Для кальцита характерны полисинтетические двойники, для доломита — кристаллы зонального строения.
4. Породы, сложенные кальцитом, обычно имеют неравномернозернистую структуру, породы, сложенные доломитом и сидеритом, — равномернозернистую.
5. Сидерит часто окрашен в бурый цвет водными окислами железа, образовавшимися при его разложении.
В тех случаях, когда указанные признаки в породе не наблюдаются, прибегают к дополнительным лабораторным исследованиям. Наиболее эффективными методами при определении карбонатов являются иммерсионный и термический анализы; в некоторых случаях применяют микрохимические анализы.
При исследовании карбоната в иммерсионных жидкостях достаточно определить показатель преломления обыкновенной волны n0 = ng, величина которого во всех сечениях минерала имеет одно и то же значение.
Кривые нагревания некоторых карбонатов показаны на рис. 94. На термограмме кальцита эффект эндотермической реакции его диссоциации имеет максимум при температуре около 940° С. Для доломита кривая нагревания имеет более сложную конфигурацию с двумя максимумами эндотермической реакции — при температуре 760 и 940° С. Кривая нагревания сидерита характеризуется эндотермическим пиком при температуре с максимумом около 540° С и наличием экзотермического эффекта при температуре около 750° С.
Группа глинистых минералов
Глинистые минералы играют в составе осадочных пород исключительно важную роль. Они слагают глины, а также могут находиться в качестве примеси в песчаниках, алевролитах, известня-
ках и многих других породах, существенно изменяя их физико-химические свойства.
Минералы этой группы относятся к водным алюмосиликатам. Наиболее широкое распространение имеют каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.
Глинистые минералы в подавляющем большинстве случаев характеризуются слоистым строением кристаллической решетки. Благодаря структурному подобию глинистых минералов получили широкое распространение так называемые смешанио-слойные минералы, в которых отдельные кристаллы образованы элементарными слоями различных типов. Наиболее часто наблюдаются сочетания гидрослюдистых и монтмориллонитовых слоев, гидрослюдистых и каолинитовых и пр. Смешанно-слойные образования наряду с изоморфизмом определяют широкие колебания состава глинистых минералов.
Диагностика глинистых минералов представляет значительные трудности, обусловленные очень малым размером их частиц. В связи с этим изучение минерального состава глин стало возможным лишь после введения в практику исследования пород рентгено-структурного, электронномикроскопического, термического и ряда других лабораторных методов. Кристаллооптическое исследование глинистых минералов в шлифе дает хорошие результаты только в случае сравнительно однородного состава глины, а также при изучении глинистых минералов в цементе песчаников, где глинистое вещество обычно значительно лучше раскристаллизовано.
Каолинит
Al4[Si4Oio] (ОН)8. Триклинный.
ng= 1,56—1,57; пр = 1,55—1,56; ng—Mj, = 0,006—0,007.
Белый, иногда с буроватым или зеленоватым оттенком. Плотность 2,6. Твердость около 1. На ощупь жирный. Встречается в виде мелоподобных плотных агрегатов.
В шлифе каолинит бесцветный. Рельеф заметный, положительный. Характерно низкое двупреломление, в тонкочешуйчатых агрегатах кажется почти изотропным. Иногда каолинит образует довольно крупные чешуйки веерообразной или червеобразной формы (рис. 95). В этом случае форма чешуек и их оптические константы позволяют достаточно уверенно диагностировать каолинит в шлифе.
На электронномикроскопических снимках каолинит имеет вид четко ограниченных шестиугольных непрозрачных листочков.
Кривые нагревания каолинита (рис. 96) характеризуются интенсивной эндотермической реакцией в интервале 550—610° С и четким и интенсивным экзотермическим эффектом при температуре 920—1000° С.
Каолинит образуется за счет разложения слюд, полевых шпатов, фельдшпатидов и некоторых других силикатов в процессе их
Рис. 95. Каолинит. Рис. 96. Кривые нагре-
вания глинистых минералов:
1 — каолинит: 2 — гидрослю
да (ГИДРОМУСКОВИТ); 3 —
МОНТМОРИЛЛОНИТ
выветривания и переноса продуктов разрушения. На земной поверхности каолинит устойчив в условиях кислой среды. Каолинит слагает каолиновые глины, входит в состав полиминеральных глин, иногда присутствует в цементе обломочных пород.
Гидрослюды
Ki-i,5Al4[Siy-e.sAli_i,502о] (ОН)4. Моноклинные.
rcg =1,57—1,61; лр = 1,54—1,57; ng—пр?«0,03.
Минералы этой группы отличаются от собственно слюд пониженным содержанием калия и большим содержанием кремнезема и воды.
Гидрослюды бесцветные, зеленоватые, бурые. Блеск стеклянный до матового. Характерна весьма совершенная спайность по (001).
В шлифе гидрослюды бесцветные или светло-зеленые. В последнем случае наблюдается слабый плеохроизм. Показатели преломления изменяются в зависимости от химического состава гидрослюд, но они всегда немного выше, чем у каолинита. Диагностическими признаками гидрослюд при изучении их в шлифах являются сравнительно высокие цвета интерференции (обычно желтые или оранжевые) и удлиненная форма чешуек. Последние нередко имеют субпараллельную ориентировку; в этом случае порода в шлифе погасает при повороте столика микроскопа как один кристалл. Отмечается значительное сходство гидрослюд с серицитом.
В связи с чрезвычайно тонкозернистостью гидрослюд оптические методы при диагностике минералов этой группы малоэффективны, так как различить отдельные минералы в шлифе практически невозможно. Удовлетворительная идентификация минералов этой группы может быть достигнута лишь при совместном применении нескольких методик.
На электронномикроскопических снимках частицы гидрослюд имеют вид непрозрачных или полупрозрачных чешуек удлиненной или изометричной формы. На кривых нагревания гидрослюд наблюдается, как видно на рис. 96, три эндотермических и одна экзотермическая реакция.
Наиболее характерными диагностическими признаками обладает один из минералов группы гидрослюд — глауконит, который встречается в виде зерен агрегатного строения, интенсивно окрашенных в ярко-зеленые или буроватые цвета. При скрещенных николях глауконит (в отличие от похожего на него хлорита) остается зеленым, что объясняется не только яркостью окраски глауконита, но и совпадением с нею его цветов интерференции.
Гидрослюды образуются при разложении слюд и некоторых других силикатов (например полевых шпатов). Не исключена возможность синтеза гидрослюд за счет монтмориллонита в результате адсорбции последним калия из морской воды. В некоторых случаях гидрослюды возникают при диагенезе в процессе изменения других глинистых минералов. Гидрослюды являются главными породообразующими минералами многих глин.
Монтмориллонит
(72Са, А1)ОН0,7(А1, Mg, Fe)4(Si, А1)8О20(ОН)4 • nH20.
ng= 1,50—1,53; пр = 1,48—1,51; ng—np = 0,02.
В связи с явлениями изоморфизма в зависимости от присутствия тех или иных обменных катионов химический состав монтмориллонита значительно изменяется. Цвет белый или зеленоватый, но может иметь также другую окраску в зависимости от примесей. Блеск матовый, иногда восковидный. Плотность от 2,2 до 2,9. Твердость 1,5—2,5. Активно поглощает воду и другие вещества. Во влажном состоянии характерно вспучивание и резкое увеличение объема.
В шлифе монтмориллонит бесцветный. В отличие от каолинита и гидрослюд его показатели преломления ниже, чем у канадского бальзама. Двупреломление монтмориллонита характеризуется желтовато-оранжевыми цветами интерференции, близкими цветам интерференции гидрослюд. Размеры кристалликов монтмориллонита обычно очень малы и в шлифе они не видны даже при больших увеличениях. На электронномикроскопических снимках для монтмориллонита характерны бесструктурные облаковидные массы или комковатые агрегаты с расплывчатыми очертаниями.
Кривая нагревания монтмориллонита (см. рис. 96) свидетельствует об интенсивной эндотермической реакции с максимумом в интервале 150—180° С, затем имеется еще две эндотермические реакции и одна экзотермическая.
Монтмориллонит образуется в условиях щелочной среды в морских осадках и в коре выветривания. Слагает бентонитовые глины, являющиеся продуктом разложения вулканического пепла.
Иногда монтмориллонит служит цементирующим материалом в песчаниках.
К группе монтмориллонита кроме собственно минерала монтмориллонита относятся также бейделлит и нонтронит. Минералы этой группы широко распространены в осадочных породах, а в некоторых глинах играют роль главных породообразующих.
Группа железистых минералов
Шамозит
Fe+| Ali.6(Mg, Fe+3)o,8-(Si2,6Al1,4)Oio(OH)8. Моноклинный.
л*= 1,63—1,66; лр= 1,62—1,65; %—пр=0,010—0,012.
Оптически двуосный, отрицательный.
Зеленый, темно-зеленый, зеленовато-желтый или бурый. Плотность 3. Твердость 3. Спайность хорошая в одном направлении. Встречается в виде бобовин или сплошных землистых масс.
В шлифе плеохроирует от желтовато-зеленого до бледно-зеленого. Рельеф заметный, положительный, двупреломление низкое. Характерно мелкочешуйчатое, волокнистое или оолитовое строение. Шамозит легко окисляется. Эта особенность затрудняет его определение в шлифах, так как образовавшиеся гидроокислы железа делают породу малопрозрачной.
Шамозит является наиболее распространенным представителем группы железистых хлоритов (лептохлоритов). Лептохлори-ты образуются химическим путем в морских и континентальных условиях. Вероятно, чаще всего они представляют собой продукты диагенетических процессов. Минералы этой группы иногда слагают крупные железорудные залежи.
Пирит и марказит FeS2.
Пирит и марказит являются полиморфными разновидностями сернистого железа. Для пирита (кубическая сингония) характерны ограненные кристаллы кубической формы, для марказита (ромбическая сингония) — радиально-лучистые и волокнистые образования. Плотность пирита 4,9 — 5,2, марказита 4,6 — 4,9. Твердость пирита 6—6,5, марказита 5—6.
Минералы эти непрозрачны. В отраженном свете имеют золотисто-желтый цвет с характерным металлическим блеском.
Сернистые соединения железа являются широко распространенными аутогенными образованиями, возникающими в осадочных породах, главным образом в диагенетическую, реже в эпигенетическую стадию. Они встречаются в тонкорассеянном состоянии в виде отдельных кристаллов или зерен неправильной формы, образуют конкреции, оолиты, а также псевдоморфозы по животным и растительным остаткам.
Гематит
Р'егОз- Тригональный.
Цвет черный, стально-серый или красный. Характерным признаком является вишнево-красная черта, которую дает гематнт на белой фарфоровой пластинке. Плотность 5,2. Твердость 5 — 6. В осадочных породах гематит встречается в виде микрозернистых агрегатов, чешуйчатых выделений и натечных образований, а также слагает конкреции, оолиты и псевдоморфозы по другим железосодержащим минералам.
В шлифе гематит непрозрачен или полупрозрачен. В отраженном свете красный.
Гематит возникает при окислении пирита, сидерита и некоторых других минералов. Широко распространен в коре выветривания, развивающейся в условиях жаркого сухого климата. В обломочных породах иногда образует цементирующее вещество. В результате регионального метаморфизма железосодержащих осадочных толщ дает скопления промышленного масштаба.
Гидроокислы железа
Наиболее распространенные минералы этой группы — гётит РегОз-НгО и гидрогётит РегОз • пН20. Макроскопически и в шлифе эти минералы трудно отличимы друг от друга. Гидрогётит представляет собой скрытокристаллический гётит, содержащий абсорбционную или капиллярную воду. Минерал такого же, как у гидрогётита, химического состава ранее называли «лимонитом». Однако в настоящее время название «лимонит» обычно применяется как собирательное для обозначения скрытокристалличе-ских гидроокислов железа, ближе не исследованных.
Окраска и цвет черты гётита и гидрогётита изменяются от охряно-желтого до красновато-бурого. В порошковатых разностях эти минералы пачкают руки. Встречаются они в виде землистых агрегатов, примазок, корочек, волокнистых выделений, различных натечных форм, оолитов, конкреций и т. д.
В шлифах гётит и гидрогётит почти непрозрачны. В отраженном свете желтовато-бурые, бурые.
Гидроокислы железа образуются при разложении железосодержащих минералов в диагенетическую и эпигенетическую стадии, а также в озерах, болотах и других водоемах осаждением из растворов или в результате биогенных процессов. Эти минералы в виде более или менее значительной примеси широко распространены в осадочных породах. Иногда они образуют значительные скопления, слагая основную массу железорудных осадочных месторождений.