промежутках глинистых минералов ионов калия. Наличие в породе гидролизуемых в катагенезе минералов (полевых шпатов) - источни­ ков калия, обеспечивает относительно быстрое обезвоживание глин, отсутствие его затягивает этот процесс до стадии метагенеза, когда разрушается большая часть калиевых полевых шпатов. Таким обра­ зом, фаза нефтеобразования может затягиваться во времени при недостатке калия в породе.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют классификации глинистых пород по физическим свойствам,

минеральному составу, способу образования?

2. Как мы представляем структуру кристаллических решеток глинистых минера­

3. В чем особенности строения глинистых минералов основных групп каолинита, иллита, смектитов, вермикулита, хлоритов?

4. Что представляют собой смешаннослойные минералы?

5. Какие существуют в природе обстановки образования различных глинистых минералов?

6. В чем существо изменения глинистых минералов и пород на различных стадиях литогенеза?

7. В чем состоит роль глин в нефтегазообразовании?

Глава 7. КАРБОНАТНЫЕ ПОРОДЫ

Карбонатные породы составляют 15--20% обьема всех осадочных образований, содержат крупнейшие залежи нефти и газа и распростра­ нены в пределах платформенных и геосинклинальных областей, встречаются в комплексах широкого возрастного диапазона - от докембрия до ныне.

К карбонатным породам и осадкам относятся образования, сло­ женные на 50% и более карбонатными минералами. Среди последних наиболее часто встречаются соединения групп кальцита и доломита, кристаллы которых имеют тригональную сингонию. Реже в составе породообразующих компонентов отмечаются минералы группы ара­ гонита, принадлежащие ромбическим карбонатам.

В группу кальцита помимо CaCO3 входят магнезит (MgCO3 ), родо­ хрозит (MnCO3 ), смитсонит (ZnCO3 ). Вторая группа включает доломит (CaMg2 ), анкерит (CaFe2 ) и кутнагорит (СаМn[СO3 ]2 ). Арагонит по составу аналогичен кальциту, кроме него к этой группе относится стронцианит (SrCO3 ) и церуссит (PbCO3 ). Минералы этих групп способ­ ны к изоморфизму и образуют твердые растворы с широкой смеси­ мостью.

Кальцит - устойчивая форма CaCO3 в большом интервале темпера­ тур и давлений. Кальцит может представлять чистый CaCO3 или содер­ жать металлы Fe, Mg, Mn. Чаще всего происходит замещение кальция магнием. Кальцит с содержанием MgCO3 более 5% относится к высокомагнезиальному.

Арагонит - неустойчивая форма CaCO3 и известен преимуществен­ но в современных осадках биогенного генезиса. С течением времени он может самопроизвольно превращаться в кальцит. Арагонитовые решетки лишь в некоторых случаях присоединяют ион Mg2 + до 0,001%. Количество присоединяющегося к ним стронция может достигать концентрации около 1%.

Доломит слагает одноименные породы, имеющие обычно хемогенное происхождение. Кристаллическая решетка доломита в высокой степени упорядочена и образована замещением атомов Ca в кальците через один на атом Mg. В доломите место Mg2 + нередко занимает F e 2 + с образованием непрерывного ряда твердых растворов вплоть до анке­ рита. Обогащенный железом доломит, как правило, встречается с железными рудами. Породообразующий доломит характеризуется низким содержанием железа.

Описанные выше минералы по-разному реагируют с соляной кислотой. Кальцит и арагонит легко растворяются в холодной 2- 10%-й НСl Доломит реагирует с кислотой либо в порошке, либо после подог­ ревания HCl. Распознаванию карбонатных минералов способствуют методы травления и окрашивания в образцах и шлифах, а также исследования порошков этих компонентов методами химического, термического и рентгеноструктурного анализов. В последние годы изучаются микроструктуры карбонатных минералов при помощи элек­ тронной сканирующей микроскопии. Для решения вопросов о проис­ хождении карбонатов проводятся изотопные исследования и опреде­ ляются соотношения 1 8 О / 1 6 О и 1 3 С / 1 2 С.

В зависимости от преобладания в составе отложений CaCO3 или CaMg(CO3 )2 выделяют две основные группы карбонатных пород - известняки и доломиты, связанные смешанными разностями между собой и с другими осадочными образованиями. Например, породы, содержащие в соизмеримых количествах карбонатный и глинистый материал, называются мергелями.

§ 1. ИЗВЕСТНЯКИ

Известняки представляют собой карбонатные породы, состоящие на 50% и более из кальцита и (или) арагонита. Известняки, не содержа­ щие примесей, имеют белый цвет. Появление серых и черных окрасок бывает связано с примесью глинистого и органического веществ. Зеленоватые тона обнаруживаются в случае присутствия глауконита

или хлорита. Оксиды железа придают известнякам красноватые оттенки.

Структуры известняков обусловлены способом их формирования и определяются присутствием ряда компонентов.

Классификация известняков. Генетические классификации извест­ няков, предложенные в нашей стране М. С. Швецовым, Н. М. Страхо­ вым, Г. И. Теодоровичем, И. В. Хворовой и многими другими литологами, основаны на выделении структурно-генетических породообразую­ щих компонентов и учете стадиальной последовательности их форми­ рования.

Седиментогенные (первичные) признаки позволяют выделить известняки биогенные (органогенные), биохемогенные, хемогенные и обломочные. При этом учитывается, что породообразующий компонент (биогенный, хемогенный и т. д.) составляет не менее 50% от основной минеральной массы карбонатной породы:

биогенные (органогенные) - биоморфные (автохтонные рифогенные и аллохтонные раковинные), органогенно-желвачные (строматолитовые, онколитовые), биодетритусовые (органогенно-обломочные);

биохемогенные - мелко- и микрокомковатые, сгустковые, пеллетовые, копролитовые;

хемогенные - оолитовые, микрозернистые; обломочные - галечниковые, гравелитовые, песчаниковые.

Биогенные (органогенные) известняки являются одним из наибо­ лее распространенных типов карбонатных пород. Органогенные компоненты в них представлены раковинами брахиопод, различных типов моллюсков, остатками криноидей, известковых водорослей, кораллов и других организмов. Большая часть биогенных известня­ ков образуется за счет неперемещенных (автохтонных) или в разной степени перемещенных (аллохтонных) остатков бентоса. Известняки возникают также за счет скелетов планктонных организмов. Наконец, органические остатки могут быть обработаны в водной среде, окатаны и их обломки при осаждении рассортированы по величине. Минераль­ ный состав породообразующих органических остатков представлен арагонитом, низко- и высокомагнезиальным кальцитом. Органогенные компоненты могут быть сцементированы зернистыми карбонатами различного размера. Среди биогенных известняков выделяются биоморфные и биодетритусовые типы, связанные переходными разнос­ тями.

Биоморфные известняки сложены преимущественно целыми скелетами организмов и имеют три основные разновидности - рифогенные, органогенные-желвачные и ракушняковые или раковинные

Рис. 35. Известняк водорослевый биогермный (по И. А. Щекотовой).

А - ортонеллы, Б - бевокастрин. Увел. 20.

изометричные или эллипсовидные в плане тела; рифовые пики в виде башен с крутыми склонами; атоллы, окружающие лагуны; барьерные и береговые рифы. Рассматриваемый тип известняков формируется сразу твердым и слагает остов рифа. По составу рифообразователей выделяют, например, коралловые, брахиоподо-мшанковые, криноид- но-мшанковые, водорослевые известняки (рис. 35). Пространство между прижизненно сросшимися и нередко инкрустированными кристаллическим кальцитом остатками морских организмов часто заполняется их же обломками различного размера, а иногда даже терригенным и пепловым материалом. В итоге возникают узорчатые текстуры в виде сменяющихся массивных, линзовидных, пятнистых кавернозных и сетчатых участков (рис. 36).

О р г а н о г е н н о - ж е л в а ч н ы е и з в е с т н я к и формируются з а счет водорослевых желваков, строматолитов и онколитов. Желваки представлены при осаждении нескрепленными полутвердыми неслоис­ тыми, моноили полицентрически разросшимися образованиями. Стро­ матолиты - это слоистые образования, возникшие за счет осажденного карбонатного вещества в корневищах водорослей или вследствие замещения их волокон. Онколиты - концентрически-слоистые, воз­ никшие на месте клубков придонных водорослей, образования, ядром которых могут служить зоогенные остатки.

Р а к о в и н н ы е и з в е с т н я к и формируются на дне бассейна в виде рыхлого осадка. Они могут представлять скопления крупных раковин - пелеципод, брахиопод и т.д., мелких раковин - остракод, птерогод, фораминифер (рис. 37). Когда ракушники образованы круп­ ными прикрепленными формами - рудистами, то возникшие образова­ ния текстурно напоминают рифы. Обычно раковинные известняки

Рис. 36. Известняк рифовый ситчатый

Рис. 37. Известняк фораминиферовый (увел. 96, николи//)

залегают четкими пластами мощностью от нескольких десятков сантиметров до нескольких сотен метров.

Биоморфным образованием является и п и с ч и й м е л, сложенный в значительной мере скелетными остатками известковых планктон­ ных водорослей - кокколитофорид. Первоначально, при жизни, клетку водоросли окружают мельчайшие диски округлой формы, состоящие из кристалликов карбонатов и называемые кокколитами. Диаметр дисков составляет доли миллиметра (рис. 38). Кроме того, в мелу присутствуют и комочки пеллетов.

Биодетритусовые (органогенно-обломочные) известняки представ­ ляют собой пластовые накопления раздробленных раковин (рис. 39).

Рис. 38. Мел кокколитоеый (РЭМ. увел. 8000)

Рис. 39. Известняк органогенно-обломочный (увел. 100, николи +)

Эти породы, как правило, бывают полидетритусовыми, например криноидно-брахиподово-мшанковыми. Детритус может быть в различ­ ной степени окатан и соответствовать по размерам песчаным и алеври­ товым зернам. В составе биодетритусовых известняков встречаются фрагменты скульптуры морских организмов, связанные при жизни мягкими тканями, - спикулы губок, членики криноидей. Текстуры биодетритусовых известняков массивные и слоистые, аналогичны текстурам песчано-алевритовых пород.

Биохемогенные известняки образуются за счет продуктов жизне­ деятельности организмов. Так, в результате накопления продуктов жизнедеятельности сине-зеленых водорослей, аккумулирующих CaCO3 и перфорирующих скелетные остатки организмов, формируются

мелко-, микрокомковатые и сгустковые известняки.

В результате жизнедеятельности моллюсков, червей и ракообраз­ ных, пропускающих через себя обогащенные органическим веществом арагонитовые илы, возникают накопления фекальных продуктов -

Рис. 40. Известняк пелитоморфный (РЭМ, увел. 1500)

Рис. 41. Известняк оолито­ вый (увел. 64, николи +)

копролитов. Сюда же относятся и пеллеты - комочки органического и минерального материала, выбрасываемого планктонными организма­ ми и оседающие на дно.

Хемогенные известняки представлены микрозернистыми и оолито­ выми разностями. Микрозернистые (пелитоморфные) известняки

характеризуются карбонатными зернами размером 0,001-0,005 мм (рис. 40). Оолитовые известняки состоят в значительной мере из округлых кальцитовых образований радиальноконцентрического строения. Центрами оолитов служат терригенные зерна, либо обломки фауны, карбонатные сгустки. Диаметр оолитов меняется в пределах 0,1-1,5 мм. Цементирует их зернистый кальцит хемогенного генезиса (рис. 41).

Таблица 7 . Основные типы карбонатных пород (по Р. Фолку, с упрощением)

Состав компонентов	Структура	Примеры карбонатных пород
Аллохемогенный	Микрозернистая	Интрамикрит, биомикрит.оомикрит
	Яснозернистая	Интраспарит, биоспарит, ооспарит
Ортохемогенный	Микрозернистая
	Яснозернистая
Автохтонный	Рифогенная	Биолитит

Обломочные известняки возникают за счет разрушения всех вышеперечисленных типов карбонатных пород. По структуре возни­ кающие таким образом накопления относятся к галечникам, пескам, алевритам, обладая характерными для обломочных пород текстурами.

В результате постседиментационной перекристаллизации извест­ няки приобретают вторичные структуры: яснозернистые (диаметр зерен более 0,1 мм), крустификационные, неравномерной перекристал­ лизации (порфиробластовые и ложнообломочные). Первичный, седиментогенный облик известняков бывает очень сильно затушеван вторичными процессами. В таком случае приходится выделять группу известняков неясного генезиса с криптогенными структурами.

В практической работе литологов для карбонатных пород исполь­ зуются также терминология и классификация, разработанные в нефтя­

ных компаниях США. В основе широко известной классификации Р. Фолка положены соотношения между аллохемными и ортохемными структурными компонентами (табл. 7) .

Аллохемогенные компоненты, или аллохемы, состоят из отдель­ ных агрегатов карбонатного состава различного генезиса, претерпев­ ших некоторую транспортировку. Главное породообразующее значе­ ние имеют следующие четыре типа аллохем: 1) интракласты - обломки в разной степени литифицированных переотложенных карбонатных образований, субсинхронных осадконакоплению, 2) оолиты, 3) скелет­ ные остатки (целые и фрагментарные), 4) различные сгустки (пеллеты, копролиты).

К ортохемам относятся микрит и спарит. Микрит - микрозернис­ тая масса, являющаяся литифицированным эквивалентом известково­ го ила, осаждающегося хемогенным или биохемогенным путем. При­

сутствие микритовых компонентов в известняках может свидетельст­ вовать о спокойной гиродинамической обстановке осадконакопления. Термин спарит в американской литературе обычно означает совокуп­ ность яснокристаллического кальцита (доломита), размер зерен которого более 0,004 мм, обычно 0,01-0,02 мм. Такая кристаллическая масса выступает обычно в роли цемента, скрепляющего аллохемы, и может формироваться за счет перекристаллизации микрита.

Основные типы пород Р. Фолк выделил на основании соотношения в них аллохем, микрита и спарита.

Аллохемогенные породы содержат более 10% аллохем, которые скреплены микритом или спаритом. В первой части названия породы отражен состав аллохем, во второй - охарактеризован цемент. Напри­ мер, интраспарит состоит не менее чем на 10% из интракластов, сцемен­ тированных яснокристаллическим кальцитом-спаритом. В случае присутствия только микритового цемента такая порода называется интрамикритом. Таким же образом выделяются оомикриты и ооспариты (сцементированные оолиты), биомикриты и биоспариты (скелетные остатки, сцементированные микроили яснокристаллическим кальци­ том).

Ортохемогенные породы содержат не более 10% аллохемогенных примесей. Чистые разности выделены как микриты. Дисмикриты содержат единичные включения, либо их количество не превышает 1%.

Помимо названных типов пород Р. Фолк выделил также автохтон­ ные рифогенные породы (биолититы). По классификации Р. Данхэма, такие известняки именуются баундстоун. Это означает, что первичные биогенные породообразующие компоненты были скреплены во время захоронения, что доказывается срастанием скелетных остатков, слойчатостью, не подчиняющейся силе тяжести, присутствием полос­ тей, выстланных осадком и перекрытых органическими остатками, величина которых превышает межгранулярные поры.

Выделение других типов карбонатных пород Р. Данхэм проводит также с учетом первичного в различной степени пористого каркаса. Автор считает, что некоторые известковые частицы могут создать каркас с очень высокой первичной пористостью. Затем в этот пористый осадок могут проникнуть карбонатные илистые компоненты путем инфильтрации из покрывающего слоя. В основу своей классификации Р. Данхэм положил визуально значимые в количественном и структур­ ном отношении различия между тонким материалом и зернами. В итоге на этом основании было выделено несколько классов пород. Класс пород, в которых опорой служат тонкие илистые компоненты, включает два типа: 1) мадстоун, в котором основу составляет тонкий карбонатный ил, а частицы размером крупнее 0,02 мм (зерна) рассеяны в основной массе и составляют не более 10%, 2) вакстоун содержит более 10% зерен, рассеянных в иле так, что они не могут образовать

каркас. Признаком другого класса пород служит каркас из взаимоопирающихся зерен. Сюда входят пакстоун, в межзерновых промежутках которого содержится некоторое количество пелитового карбонатного материала, и грейнстоун, не содержащий ила в межзерновых проме­ жутках. Р. Данхэм отмечает, что отложения, почти не содержащие тонкого ила, образуются не только при большой подвижности воды, но и тогда, когда скорость накопления детрита выше, чем скорость осаждения ила, а также при вымывании ила из ранее отложенных осадков. Во всех перечисленных типах известняков первичные струк­ туры распознаваемы. Перекристаллизованные разности рассматрива­ ются в группе измененных карбонатных пород.

Происхождение и размещение карбонатов кальция в бассейнах осадконакопления. Формирование и размещение известковистых осад­ ков зависит от климата, состава вод, характера бассейна седимента­ ции. Карбонатонакопление происходит в аридных и теплых гумидных областях. Карбонаты кальция в обеих областях образуются в озерах, во внутриконтинентальных морях и заливах, в краевых морях и океанах. В аридной зоне, помимо того, карбонаты образуются на поверхности суши.

Накопление карбонатов кальция в озерах наблюдается в переход­ ной области от гумидной зоны к аридной. Здесь в озерах с жесткой водой известковые осадки накапливаются непосредственно после полосы песчаных осадков среди подводных зарослей. По мере движе­ ния в более глубокие части бассейна содержание извести в осадках убывает. Аналогичным образом распределяются известковые осадки в опресненных внутриконтинентальных морях типа Балтийского.

В краевых морях нормальной солености, расположенных в умерен­ ном климате, карбонатонакопления практически не происходит, но в более теплом климате накопления CaCO3 развиты не только в при­ брежной зоне, но и в пелагиали.

Преимущественно к глубоководным частям приурочены карбонат­ ные осадки во внутреннем Черноморском бассейне и Средиземном море, которое обладает многими морфологическими чертами океана. В океанах современные осадки, обогащенные карбонатом кальция, тяготеют к удаленным от берега частям в низких широтах. Приурочен­ ность высококарбонатных осадков к более удаленным от берега частям морей и океанов объясняется уменьшением в этих частях разбавляющего действия терригенного материала, в чем отчетливо проступает связь карбонатных осадков с морфологией побережья. Чем более гориста водосборная часть, чем энергичнее на ней идет денуда­ ция, чем больше на ней рек, тем дальше отступают от побережья карбонатные осадки. При плоском побережье, малом количестве рек карбонатные отложения приближаются к берегу.

Главная роль в аккумуляции карбонатов принадлежит морским

бассейнам. Поверхностная морская вода при температуре +25"C пере­ сыщена главными карбонатными минералами - арагонитом, кальци­ том и доломитом. Однако химическое осаждение карбонатов даже в морях тропиков и субтропиков незначительно по сравнению с его биогенным осаждением.

Среди современных осадков сугубо биогенные карбонаты форми­ руются на шельфах морей в умеренном гумидном климате. Биогенные пелагические карбонаты (кокколитовые и фораминиферовые илы) широко распространены в океанах, где они приурочены к системам срединно-океанических хребтов и районам апвеллингов. Биогенное карбонатонакопление на шельфах субтропической и тропической зон сопровождается осаждением хемогенного CaCO3 . Для этих зон харак­ терно образование гигантских карбонатных тел, выделяемых как карбонатные платформы, крутые шельфовые склоны которых окаймлены органогенными постройками.

Химическое осаждение CaCO3 из морских вод в настоящее время происходит в форме арагонита и определяется реакцией

кальция нат-ион кальция кислота

Анион HCO3 образуется в результате следующих реакций: CO2 +

H2 O H 2 C O 3 , H 2 C O 3 H + + H C O 3 - , H + + CO3 2 HCO 3 - .

Осаждению CaCO3 способствует снижение содержания в растворе CO2 , т. е. уменьшение его парциального давления и увеличение рН вод. Этому благоприятствуют повышение температуры воды и органи­ ческий фотосинтез.

На глубине 3,5-5 км карбонаты кальция в илах встречаются редко, что связано с их растворением в холодных глубинных водах в условиях возросшего парциального давления углекислоты CO2 и пониженного рН.

Глубина, на которой, согласно данным микроскопических иссле­ дований, резко ускоряется растворение известковых раковин, назы­ вается лизоклином (уровень этот несколько различается для скелетов разных организмов). Глубина, на которой CaCO3 исчезает из осадков, называется уровнем компенсации карбонатонакопления. На этом уровне, глубина которого в разных частях Мирового океана колеблет­ ся от 3,8 до 5,2 км, скорость поступления карбонатного материала равна скорости его растворения.

Помимо морских седиментационных накоплений карбонатов кальция, возможно образование их в континентальных условиях жарких областей с чередованием сухих и дождливых сезонов. Здесь в приповерхностных слоях обломочных горных пород, содержащих CaCO3 , возникают иллювиальные конкреционно-цементационные

известковистые образования - каличе. Каличе формируется в резуль­ тате растворения карбоната кальция грунтовыми водами и последую­ щего его выделения из испаряющихся насыщенных растворов. Только что возникшее каличе имеет белый цвет, оно пылевидное и хрупкое. Когда поверхность каличе открывается в результате разрушения прикрывающего его слоя почвы, пылевидный кальцит рекристаллизуется и образует плотный известняк с брекчиевидной текстурой.

Среди других континентальных карбонатных образований выделя­ ется нари - карбонатная кора, состоящая из незамещенных обломков первичной породы, окруженных мелкой сетью известковых прожил­ ков. Биохемогенные континентальные отложения - травертины и их высокопористые разности - известковые туфы, выпадают из вод источников, рек, озер и нередко приурочены к карстовым полостям в виде колломорфных натечных образований.

Постседиментационные преобразования известковых отложений. Особенности диагенеза карбонатных осадков обусловлены минераль­ ной и химической неустойчивостью их компонентов, по отношению к которым активным агентом преобразований является вода. Карбонат­ ные осадки в итоге уже на ранних стадиях преобразований могут претерпеть сильные изменения. Сущность процесса диагенеза этого осадочного материала - тесно взаимосвязанные цементация и литификация. Уплотнение при этом играет менее значительную роль. Экспе­ риментальное уплотнение различных карбонатных осадков свидетель­ ствует о том, что мощность их сокращается быстро, от 30 до 5%. Как показал М. Р. Лидер , характер литификации карбонатов определен­ ным образом связан со средой осадконакопления и имеет свои особен­ ности в ряду обстановок от пляжа и рифов до океанических глубин.

Выше уровня прилива и зеркала грунтовых вод в надприливной полосе формируется бич-рок, т. е. сцементированные пляжные карбо­ натные пески. Интенсивная литификация карбонатных осадков в приливно-отливной (литоральной) полосе осуществляется под влияни­ ем их периодического осушения, смешения морских вод с пресными, под влиянием бактериально-водорослевой активности и биохимичес­ ких процессов. Цементация обломочных карбонатов обусловлена выпадением из поровых растворов в межзерновых промежутках игольчатого арагонита в виде корочек и магнезиально-кальцитового микрита. Таким образом, породы близки по виду к бич-року.

Литификация слоистых карбонатных осадков сублиторальной зоны происходит в условиях постоянного контакта с морскими вода­ ми. Придонная литификация такого типа наблюдается в настоящее время в Персидском заливе на глубинах от 1 до 60 м, где пласты сцементированных обломочных известняков с песчано-алевритовой структурой, называемых также калькаренитами, образуют пласты толщиной 5-10 см. Цементирующий материал в этих образованиях

представлен радиально-волокнистым или равнокристаллическим высокомагнезиальным кальцитом; размеры частиц - 1 - 7 мкм. Сцемен­ тированный у поверхности дна карбонатный осадок представляет по существу "каменное дно" - хардграунд. Под хардграундом залегают менее консолидированные осадки. По мере роста пористости отложе­ ний исчезает сплошность их цементации, приводя к пятнистому развитию хардграунда.

Диагенетические изменения органогенных построек проявляются в смене генераций цемента, сопровождающихся растворением и трансформацией корбонатов. В итоге этих процессов органогенный каркас превращается в плотный рифогенный известняк, частично перекристаллизованный и доломитизированный.

Подводная приповерхностная литификация глубоководных осадков обнаружена во многих районах Мирового океана. Например, литифицированные глобигериновые илы в Средиземном море и Атлан­ тическом океане отмечены на глубинах от 200 до 3500 м, где они представлены перекристаллизованными микритами, содержащими в своем составе высокомагнезиальный кальцит и доломит. Иногда они окрашены за счет оксидов Fe и Mg и включают конкреции этих окси­ дов.

Заключая характеристику стадии диагенеза, следует отметить, что в колонках современных морских карбонатных осадков с различных глубин нередко чередуются поверхностно литифицированные и нелитифицированные разности. На основании этого возникло предположе­ ние, что поверхностная литификация не зависит от глубины и опреде­ ляется прежде всего замедлением или временной приостановкой осадконакопления. Литификация же в зависимости от уровня погру­ жения осадков начинается с глубины около 0,8 км, что установлено по ряду скважин, вскрывших пелагические карбонатные отложения в Тихом океане. С указанной глубины по мере превращения пелагичес­ ких известковых илов в известняк, раковинки частично растворяются и деструктируются, переходя в микритовую массу, включающую кристаллы кальцита разного размера. Таким образом, характер диаге­ нетических изменений тесно связан с обстановками седиментации и структурно-минералогическими особенностями известковых отложе­ ний.

Катагенетические изменения карбонатных пород проявляются в изменении морфологии и величины их компонентов, перераспределе­ нии карбонатного вещества в пределах пласта или толщи. В случае привноса-выноса вещества развиваются выщелачивание, замещение одних минералов другими, заполнение пустот карбонатными и други­ ми минералами.

Известняки в зоне катагенеза очень часто перекристаллизовываются, т.е. происходит увеличение размеров зерен CaCO3 . Морфологичес-

Промышленность использует различные карбонатные породы: осадочные известняки и их разновидность-мел, доломиты и их разновидность - доломитовую муку, мергели, гидротермальные травертины, карбонатные породы карбонатитовых комплексов, известковые туфы. Существует ряд классификаций карбонатных пород, в том числе кальциевых их разностей.

В промышленности используется и такое образование карбонатного состава, как «ракушка», представленное еще не литифицированным осадком, состоящим из раковин и их обломков (иелеципод и других организмов).

Между известняками, сложенными преимущественно кальцитом, и доломитами, состоящими в основном из доломита, существует ряд смешанных карбонатных пород. Границы между различными разновидностями этого ряда не общепризнаны. Согласно предложению С. С. Виноградова, границей между известняками и слабодоломитизированными известняками следует считать породу, содержащую 1,2% МgО, а если в ней MgO от 4 до 10%, то ее относят к доломитовым известнякам, в многодоломитовом известняке MgO 10-17%, в сильномергелистом доломите 19,67-21,42%, в чистом доломите 21,86-21,42%.

Существует ряд переходных разностей между карбонатными породами различной магнезиальности и (магнезиальные мергели, мергелистые доломитовые известняки и др.).

Состав карбонатных пород играет большую роль в их оценке. Для большинства отраслей промышленности наиболее благоприятен однородный состав. Неоднородность состава вызывает непостоянство физико-механических свойств. Прослои, особенно тонкие, глинистых и песчано-глинистых пород, карстовые полости, заполненные обломочным материалом, наличие желваков кремня и другие неоднородности осложняют технологический процесс переработки сырья.

В качестве отрицательного явления следует отметить присутствие выделений сульфидов (пирита, марказита и др.), зерен полевых шпатов, слюд, глауконита, а в большинстве случаев и фосфата. Для некоторых отраслей промышленности (стекольной, производство белого цемента и др.) повышенное содержание считается вредным, В промышленности карбонатные породы используются благодаря особенностям их состава и ряду свойств. К этим свойствам относятся механическая прочность, белизна, способность образовывать при помоле определенной формы частицы, декоративность, диэлектрические особенности, объемная масса, твердость (небольшая твердость обусловливает способность к распиловке и невысокую абразивность, но повышенную истираемость), пористость, огнеупорность и др.

Карбонатные породы в процессе использования подвергают механической обработке (дроблению, измельчению, распиловке и пр.), более глубокой термической, химической и др. Прочность карбонатных пород на сжатие в воздушно-сухом состоянии колеблется от 30-80 МПа у известняков-ракушечников, до 40-140 МПа и реже более 200 МПа. Только дроблению подвергают карбонатные породы при использовании их в качестве рваного камня - щебня и бута. При этом в оценке качества сырья большое значение имеют механические свойства, определяемые прочностью в водонасыщенном или сухом состоянии, морозостойкостью, сопротивлением удару и др., а также водопоглощением, дробимостыо, коэффициентом размягчения, износом в полочном барабане и др.

Например, камень, используемый в качестве щебня для бетона гидротехнических сооружений, должен иметь прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии не менее 50 МПа; дробимость в цилиндре в сухом состоянии, определяемую по потере массы через определенное время дробления, не более 10% для сооружений зоны переменного уровня воды и 14% для подводных и надводных частей сооружений; морозостойкость, определяемую числом циклов попеременного замораживания и оттаивания (в водонасыщенном состоянии), - не менее 100; объемную массу не менее 2,4-2,3 г/см3.

Для щебня, используемого в дорожном бетоне, прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии для верхнего слоя покрытий дорог дожна быть не менее 80 МПа, а для нижнего - не менее 60 МПа. В целом же для бутового камня в зависимости от характера использования минимальная прочность на сжатие может колебаться от 10 до 80 МПа. Распиловке подвергаются карбонатные породы для получения штучного камня - это облицовочные блоки, стеновые камни, бортовые камни, брусчатка и т. д.

Кроме ряда физических (или, как их называют, физико-механических) свойств при оценке сырья для изделий этого типа учитывают выход продукции из горной массы, в ряде случаев его декоративность, а также возможности утилизации отходов, получаемых при добыче и переработке. Декоративность имеет большое значение при использовании камня для облицовки, а также для изготовления художественных изделий. Для скульптурного мрамора существенное значение имеют не только характер окраски и структура породы, но и просвечиваемость (глубина просвечиваемости, определяемая толщиной пластины, способной к просвечиванию). Для камня, применяемого дли изготовления плит для полов, большое значение имеет истираемость.

Часть карбонатных пород используется в виде так называемой: крошки, диаметр частиц 0-40 мм. Например, мраморная крошка для изготовления мозаичных и декоративных строительных деталей подразделяется на три класса: 0-5; 5-10 и 10-20 мм; прочность на сжатие - не менее 50 МПа в воздушно-сухом состоянии. Мраморная крошка для изготовления декоративных штукатурок, мозаичных бетонов и растворов подразделяется на четыре класса 0,63-5; 5-10; 10-20 и 10-40 мм; минимальная прочность на сжатие 30 МПа в водонасыщенном состоянии. Крошка карбонатных пород используется и для изготовления асфальта бетонных и битумоминеральных смесей и других изделий.

В естественном молотом виде карбонатные породы применяются в сельском хозяйстве (для известкования почв, как минеральная подкормка и др.), в кабельной промышленности, для которой важна изометричность частиц и их диэлектрические свойства, в лакокрасочной промышленности, в медицине, при производстве резины, линолеума, бумаги и т. д.

Большое значение имеют карбонатные породы для производства вяжущих веществ, в том числе строительной извести и особенно цементов. Для получения строительной извести применяют известняки и доломитовые известняки; для гидравлической извести - глинистые известняки, содержащие 8-20% глинистого компонента. При обжиге известняка получается жженая известь СаО, которая при затворении с водой дает гашеную известь (пушонку). Гашеная известь при смешивании с водой дает известковое тесто, а при добавлении воды и - строительный раствор.

Если в известняке количество глинистых веществ до 3-5%, то из такого известняка получают жирную известь, если больше - тощую известь (серую). Наличие MgO замедляет гашение. По составу к гидравлической извести (способной затвердевать в воде) близок роман-цемент. Сырье или сырьевая смесь для производства роман-цемента должны иметь гидравлический модуль (отношение CaO + MgO к сумме SiO 2 + Аl 2 О 3 + Fe 2 О 3) от 1,3 до 1,7, в то время как у гидравлической извести оно составляет от 1,7 до 9). Роман-цемент относится к относительно низкокачественным вяжущим веществам, и его производство резко сокращено. Более ценный продукт - портландцемент, но при производстве его к сырью предъявляют ряд требований.

Исходная, подлежащая обжигу минеральная смесь (шихта) должна иметь определенный состав. Обычно шихту составляют из известняка и глинистых пород - глин, суглинков, аргиллитов, лёссов и др. Иногда глинистая часть заменяется доменным шлаком, остающимся после выплавки чугуна, сланцевым коксом, золой горючих , белитовым (нефелиновым) шламом, получаемым при извлечении из нефелина глинозема, и др., например, применяются порфироиды, можно использовать вместо глин базальты. В некоторых случаях применяются природные смеси, отвечающие составу шихты - мергели-натуралы.

Один из основных показателей нормального состава шихты - коэффициент насыщения. Этот коэффициент колеблется в пределах 0,82-0,95. Необходимо выдерживать кремнеземный (п) и глиноземный (р) модули.

Предел колебания п 1,2-3,5, р 1-2,5. Если основные компоненты шихты не обеспечивают кремнеземный модуль из-за низкого содержания SiO 2 , то в шихту вводят кварцевый песок, маршаллит, опоки, трепелы и другие кремнистые продукты; если низка железистость шихты, то добавляют богатые железом продукты: пиритные огарки, колошниковую пыль, железные руды. При низком содержании А1203 вводят бокситы и другие высокоалюминиевые продукты. Кроме того, состав шихты контролируется составом исходных пород.

В продукте обжига шихты - клинкере - содержание MgO должно быть не выше 4,6%, редко до 6%, ТiO 2 не выше 0,3%, редко до 4- 5%. В процессе обжига шихты образуются трехкальциевый силикат (аллит, двухкальциевый силикат (белит), трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит, содержание (в %) которых соответственно 42-65; 15-50; 2-15 и 10-25.

В клинкере может остаться некоторое количество СаО, поэтому ее следует связать, добавляя в клинкер продукты, способные взаимодействовать с СаО. Такие добавки называют активными или гидравлическими. К гидравлическим добавкам относятся горные породы разного генезиса: осадочного - диатомиты, трепелы, опоки и спонголиты; пирометаморфического - глиежи; вулканогенного и вулканогенно-осадочного - пеплы, пемзы, туфы, туфолавы; некоторые цеолитовые породы; витролипариты и др.; выветрелые основные породы - диабазы, базальты. Кроме того, к ним относятся некоторые техногенные продукты - доменные шлаки, белитовый шлам, топливные золы, отходы керамики (битые и бракованные кирпич и черепица и др.).

Кроме гидравлических добавок в клинкер добавляют , регулирующий время схватывания бетона. Цемент получается в результате помола клинкера с вышеназванными добавками. После затворения цемента водой и добавок заполнителей получают бетон. В качестве заполнителей тяжелых бетонов используют , песок, щебень; для легких бетонов - различные горные породы и продукты их переработки. В естественном виде легкими заполнителями являются осадочные породы - известняки-ракушечники и вулканогенные породы - вулканические шлаки, пемзы и пумидиты (пеплы).

При термической обработке из осадочных пород - глин, глинистых илов и суглинков - получают керамзит, аглопорит и другие, легкие заполнители; из диатомитов и трепелов - гермолит; из вермикулита, формирующегося в процессе выветривания - вспученный вермикулит; из вулканогенного перлитового сырья (водосодержащих стекловатых пород) - вспученный перлит. Легкими заполнителями могут служить и некоторые техногенные продукты (металлургические шлаки, фосфозит и т. д.).

Существует ряд специальных видов цемента - цветные, беложгущиеся, тампонажные и др. Тампонажные цементы, используемые при бурении, получают из шихты, состоящей из известняков и бокситов. Расширяющиеся цементы приготовляют на основе глиноземистого цемента и гипсо-известкового сплава, а высококремнеземистые- на основе перлита.

Алюмофосфатные цементы характеризуются высокой жаростойкостью. Можно получить цемент, используя красные шламы (отходы алюминиевой промышленности), феррохромовые шлаки (отходы ферросплавного производства). Имеются сульфотодержащие цементы, для получения которых используют отходы туковой промышленности (фосфогипс), и ряд других разновидностей цементов.

В химической промышленности кальциевые карбонатные породы применяются в производстве кальцинированной соды, кормового преципитата, суперфосфата, карбида кальция, едких калия и натрия, хлорной извести и др. Главное требование - высокая чистота сырья.

Известняк входит в состав стекольной шихты; основная вредная примесь здесь - хромофоры, в том числе железо, и др.

Большое количество карбонатных пород используется в металлургии. Доломиты применяют как огнеупоры (в том числе смодо-доломитовые), а также для извлечения магния. Кальциевые карбонатные породы широко используются в качестве флюса (в том числе при производстве чугуна и стали, глинозема, , , , и т. д.); при этом имеют значение не только химический состав карбонатных пород, по и их механические свойства (прочность, кусковатость), а также в производстве силикатного кирпича (как основной компонент), строительной керамики, меловых промывочных жидкостей для бурения скважин, химически осажденного мела и др.

Доломиты применяют в производстве стекла, минеральной ваты, глазури, стекольного волокна, совелита, электросталеплавпльном производстве, производстве сульфитной целлюлозы, магнезиальной извести, при известковании кислых почв и т. д.

карбонатный песок гравийный глинистый

Карбонатные породы составляют около 20% осадочных отложений земной коры и представлены следующими разновидностями.

Известняки - осадочные породы, состоящие в основном из кальцита (СаСО 3) с примесью доломита (Ca, Mg(CO 3) 2), песчаных и глинистых частиц. При содержании доломита 20-50% -доломитовый известняк.

Известняки-ракушечники состоят из обломков раковин, сцементированных карбонатным или глинисто-карбонатным цементом - легкие пористые породы.

Мел - порода состоящая на 60-70% из мельчайших остатков скелетных образований планктонных организмов и известковых водорослей, а на 30-40% из тонкозернистого порошкообразного кальцита.

Мергели -тонкозернистые осадочные горные породы, переходные от известняков и доломитов к глинистым породам и содержащие 50-70% кальцита или доломита или их смесь и 20-50% глинисто-песчаного материала.

Доломиты - карбонатные осадочные породы, состоящие (не менее чем на 90%) из минерала доломита (Са, Мg (СО 3) 2).

Мраморы и мраморизованные известняки - карбонатные породы, претерпевшие перекристаллизацию в результате регионального или контактового метаморфизма.

Применение в промышленности

Основные отрасли и объемы потребления карбонатных пород следующие (в %): производство строительного и облицовочного камня -- 60, цементная промышленность -- 20, металлургическая-- 10, известковая -- 5, огнеупорная -- 2, сельское хозяйство-- 1, остальные -- 2.

Для производства строительных и облицовочных камней используются известняки, доломиты, мраморы, отличающиеся декоративностью и хорошей полируемостью, высокими физико-механическими свойствами -- твердостью, прочностью. Из карбонатных пород получают бутовый камень, щебень, крошку, штучные и облицовочные камни. Только на нужды гражданского, промышленного и дорожного строительства ежегодно расходуется около 220 млн. т карбонатных пород.

В цементной промышленности широко используются известняки, мел, мергели или их смеси с определенными соотношениями А1 2 0 3 , Si0 2 , Fe 2 0 3 и СаО. Кондиционными считаются маломагнезиальные карбонатные породы, содержащие не менее 40 % СаО и не более 3,5 % MgO.

Из карбонатных пород изготавливают портландцементы, глиноземистый цемент и многие другие виды вяжущих веществ. Сырьем для производства портландцемента служат различные карбонатные породы, среди которых преобладающую роль играют известняки, мел и мергели. Особую ценность имеют мергели-натуралы. Портландцементы применяются для изготовления бетонов.

В металлургической промышленности чистые карбонатные породы служат главным образом флюсами. Они переводят в шлак пустые породы и вредные примеси. Значительное количество доломитов используется как сырье для получения магния и огнеупорного материала в металлургии.

Известковая промышленность для производства гидравлической, воздушной, медленногасящейся и других видов строительной извести потребляет в основном известняки и мел.

Чистые известняки применяются в химической промышленности для производства соды, карбида кальция, едких калия и натрия, хлора и др. В пищевой- используются для очистки сахара. В сельском хозяйстве используются мягкие известняки и мел для известкования подзолистых почв. Значительное количество карбонатного сырья применяется в стекольной, бумажной, лакокрасочной, резиновой и других отраслях промышленности.

Генетические типы промышленных месторождений

Осадочные месторождения подразделяются на морские и континентальные, которые являются второстепенными. Морские представлены известняками доломитами, мергелями и мелом. По условиям образования различаются биогенные, хемогенные и смешанные. Мелководные известняки представлены органогенными (ракушечными, оолитовыми) типами, а глубоководные - пелитоморфными разностями хемогенного кальцита. Среди доломитов по условиям формирования выделяют хемогенные, диагенетические и смешанные. Доломиты накапливались в тёплых морях в условиях аридного климата и повышенной солёности и щёлочности за счёт Мg СО 3 .

Геосинклинальные месторождения связаны с карбонатными (в том числе рифогенными), флишевыми, осадочно-вулканогенными и терригенными формациями. В пределах указанных формаций карбонатные породы, слагающие многочисленные выдержанные мощные (до сотен и тысяч метров) пласты и толщи, представлены в основном органогенными и кристаллическими известняками, хемогенными и диагенетическими доломитами, их переходными разностями, мраморами и мраморизованными разновидностями пород, реже мергелями.

Для геосинклинальных месторождений и бассейнов типичны линейная ориентировка, наличие интенсивных пликативных и дизъюнктивных дислокаций, проявление магматизма, широкое развитие метаморфизма. Геосинклинальным месторождениям свойственны специфические ассоциации карбонатных пород с фосфоритами (Каратау), магнезитами (Южный Урал), шунгитами (Карелия), бокситами (Восточный Урал).

Многочисленные геосинклинальные месторождения в России выявлены в следующих регионах: месторождения известняков -- на Западном Урале (D), в Кузбассе (D), на Алтае (D), в.Красноярском крае (С), на Кавказе (Кг); доломитов -- на Южном и Северном Урале (С), в Енисейском кряже и хр. Малый Хинган (PR).

К типичным геосинклинальным морским осадочным флишевым принадлежат Новороссийские месторождения цементных известняков и мергелей, прослеживающиеся вдоль побережья Черного моря в районе г. Новороссийска более чем на 50 км. Карбонатные отложения образуют маркотхскую свиту мощностью 250--300 м, в разрезе которой отмечается частое тонкое чередование известняков, мергелей, глин и их песчаных разностей. Наибольшее практическое значение имеет подсвита «мергелей-натуралов» мощностью 60--70 м, состоящая в основном из высококачественного природного цементного сырья. Ежегодная добыча цементного сырья на Новороссийских месторождениях около 8 млн. т.

Платформенные месторождения пространственно связаны с карбонатными, карбонатно-сульфатными, галогенными, терригенными, сланценосными, угленосными, красноцветными формациями. Карбонатные породы, залегающие в указанных формациях, характеризуются относительно небольшой мощностью (десятки -- сотни метров), широким распространением по площади, горизонтальным или близким к нему залеганием, слабым развитием дислокаций, интрузий и метаморфизма.

Карбонатные породы представлены органогенными, кристаллическими, обломочными, оолитовыми известняками, мелом, мергелями, диагенетическими, реже хемогенными доломитами и переходными разностями.

Карбонатные породы слоистые, часто микро- и скрытозернистые, иногда пористые и кавернозные, подверженные процессам выветривания и карстообразования.

В парагенезе с карбонатными отложениями встречаются залежи горючих сланцев (Прибалтийский бассейн), солей (Предуралье), гипсов, ангидритов и нефти (Второе Баку), ракушечных фосфоритов (Прибалтийско-Ладожский бассейн).

Платформенные палеозойские месторождения многочисленны, имеют большое практическое значение и широко представлены на Восточно-Европейской и Сибирской платформах.

Переходные месторождения приурочены к карбонатным (в том числе рифогенным), соленосным, терригенным, угленосным формациям, развитым в краевых и межгорных прогибах, а также во внутренних впадинах.

Осадочные формации характеризуются большой мощностью и быстрым выклиниванием на периферии указанных структур. Карбонатные отложения имеют переменную мощность, образуют как отдельные слои, так и мощные -- до 350 м -- толщи (Еленовское месторождение). Наряду с мощными сравнительно однородными толщами доломитов, известняков встречаются толщи, в которых карбонатные породы переслаиваются с гипсами, ангидритами, солями и песчано-глинистыми образованиями. Нередко спокойное залегание пород осложнено дизъюнктивными нарушениями и складчатостью.

Месторождения представлены органогенными, кристаллическими, реже обломочными и оолитовыми известняками, хемогенными и диагенетическими доломитами, мелом, мергелями и доломитовой мукой. Нередко карбонатные породы выветрелые, подвержены вторичной доломитизации, кавернозные, пористые, трещиноватые, закарстованные, содержат прослои и линзы сульфатных пород и солей.

В парагенезисе с карбонатными комплексами наблюдаются промышленные скопления солей (Донбасс), углей (Караганда, Кузбасс), нефти (Второе Баку), калийных солей (ГДР).

Многочисленные месторождения приурочены к Предуральскому, Донецкому, Ангаро-Ленскому и другим прогибам, а также к внутренним впадинам на Восточно-Европейской и Сибирской платформах.

Крупнейшее в Европе Еленовское месторождение известняков и доломитов, расположенное в Донецкой области типичное для переходного типа, объём добычи составляет15 млн т. в год.

Месторождения выветривания представлены месторождениями вторичных доломитов и доломитизированных известняков. Иногда вторичная доломитизация известняков имеет большие масштабы, например, в Прибалтийском бассейне.

Карбонатиты -- сложные по составу, иногда крупные массивы карбонатных пород, генетически связанные с щелочно ультраосновными интрузивными телами, содержащими ценные металлические и неметаллические полезные ископаемые. Карбонатиты должны рассматриваться как комплексное сырье, в том числе карбонатное, получаемое в процессе обогащения.

Гидротермальные месторождения доломитов представлены в основном мелкими жилами, штокверками, развитыми в известняках и ультраосновных породах и практического значения не имеют.

Метаморфические месторождения мраморов и мраморизованных пород образуются в процессе регионального и термально- контактового метаморфизма карбонатных пород, и приурочены к геосинклинальным зонам. (Белогорское м-е в Карелии, Коелгинское на Урале).

Мировое потребление карбонатного сырья более 5млрд.т. в год. Наиболее крупными потребителями являются США, Россия, Япония.

Ресурсы карбонатных пород России огромны, Распределены они на территории крайне неравномерно. Около 50% запасов сосредоточено в европейской части.Наименее обеспеченные районы - Карелия и Мурманская область, а также Тюменская, Омская, Камчатская и Калининградская области. К регионам богатым карбонатным сырьём относятся значительная часть Восточно-Европейской и Сибирской платформ, Урал, Таймыр, Алтай, Саяны и Кавказ.

Известняки

Известняки органогенные (биогенные). Биогенный способ накопления известняков (кальцита) в настоящее время преобладает, вероятно такая же тенденция имела место в течение всего фанерозоя. Такого рода породы представляют собой окаменевшие продукты жизнедеятельности животных и растений. Среди них различают биогермы - прижизненные скопления прикрепленных организмов, находящихся в состоянии роста - кораллы, мшанковые и водорослевые - строматолитовые известняки.

Выделяют еще биоценозы - прижизненные скопления организмов, обитающих вместе на определенном участке дна бассейна. Биоценозы и- весьма разнообразные горные породы, они дают обычно цельнораковинные известняки.

Еще чаще встречаются известняки, представляющие собой результат совместного захоронения обломочного детрита ранее умерших животных. Такие скопления получили названия танато- и тафоценозов . Они сложены окаменевшими остатками самых различных видов - например, брахиопод, пелиципод, криноидей, фораменифер и др.

Если преобладающей группы организмов выделить нельзя, то могут рассматриваться, например, брахиоподово-коралловые, фораминиферо-водорослевом известняки или просто органогенные известняки.

В результате тонкого перетирания скелетных остатков волнениями в прибрежной зоне образуются микрозернистые известняки, часто трудно отличимые от пород химического происхождения.

Специфической разновидностью органогенных известняков является писчий мел. Эта горная порода сложена в основном слабосцементированными остатками мельчайших организмов, в основном коколитофорид. С этим связаны его физические свойства: небольшая твердость (менее 1), большая пористость (около40%- как у глин), значительная естественная влажность (около 30%).

Часть афанитовых и микрозернистых известняков сформировалась органогенным, а другая часть хемогенным путем, часто это трудно определить в диагенетически преобра-зованных породах.

Хемогенные известняки. К этой группе относят известняковые породы, сформировавшиеся хемогенным способом на стадиях осадконакопления или раннего диагенеза. Распространение хемогенных карбонатных пород существенно меньше, чем органогенных. Обычно хемогенные известняки имеют зернистую или кристаллическую структуру. Для этих пород характерны также оолитовые и сферолитовые структуры. Хемогенные породы часто ассоциируют с органогенными.

Особую подгруппу карбонатных хемогенных пород представляют собой известковые натеки (например, сталактиты и сталагмиты в пещерах), образующиеся за счет выпадения из просачивающихся растворов кальцита или его разновидности арагонита. Эти образования имеют обычно игольчато-кристаллическую структуру, причем кристаллы ориентированы перпендикулярно границам нарастания.

При замещении в ходе диагенеза или катагенеза части кальцита доломитом формируются доломитизированные известняки.

Отложение химических карбонатных осадков интенсивно проявлялось в предшествующие древние эпохи геологической истории и происходит в меньших масштабах в современных морях и океанах, а также на континентах в условиях аридного климата, большей частью в озерах.

Хемогенным путем НСО3 образуются пелитоморфные известняки, оолитовые известняки и многочисленные карбонатные конкреции среди терригенных пород в мелководной области морей и океанов при выделении из вод избытка СО2 в атмосферу. Процесс происходит в рамках существующего в акваториях природного равновесия:

Са(НСО 3) 2 =СаСО 3 +СО 2 +Н 2 0.

При выделении избытка СО 2 в атмосферу равновесие смещается в сторону образования нерастворимых в воде монокарбонатов (СаСО 3 и др.). Причинами уменьшения содержания СО 2 может быть прогревание воды, ускоряющее процесс удаления из воды избытка СО2, а также волнение воды и мельчайшие водоросли, обеспечивающие формирование и поставку затравки - центров кристаллизации СаСО 3 при взмучивании ила. При этом карбонат кальция осаждается в виде мельчайших кристалликов и, возможно, в виде комков геля СаСО 3 . Выделение СаСО 3 продолжается и в начальной стадии диагенеза в самом осадке из концентрированных растворов иловых вод.

При этом гидрохимический состав вод и термодинамические условия бассейна меняются по сезонам года. Следствием этого является периодичность выделения СаСО 3 и их преобразований с формированием зональных кристаллов, концентрических полос в оолитах и т.п..

Химическому выпадению кальцита способствует жаркий засушливый климат, а также ограниченность привноса в бассейн осадконакопления терригенного материала.

Известняки обломочные формируются в результате разрушения и перемыва более древних известняков и механической обработки скелетов известковых организмов. При этом обломки пород и раковин подвергаются интенсивной механической обработке в полосе прибоя, в зоне волнений и приливно-отливных течений. Раковины измельчаются также илоедами. Таким способом формируется большая часть мелководных карбонатных осадков современных морей.

При захоронении обломков вблизи источников сноса без существенной механической обработки получаются брекчии. Известняки, возникшие в результате механической обработки раковин называются органогенно-обломочными. Выделяются также известняковые конгломераты и пески, другие виды обломочных пород.

Известняки смешанного или неясного происхождения относятся к подгруппе наиболее распространенных карбонатных пород. В таких породах можно обнаружить участки с органогенной структурой.

Доломитовые породы.

Доломитом называют породу, состоящую на 95% и больше из минерала доломита. Обычно такого рода породы содержат примеси кальцита, пирита, халцедона, кварца и органического вещества. В некоторых доломитах встречаются вкрапленники ангидрита и гипса. В зернистых и микрозернистых доломитах под микроскопом наблюдается значительное количество правильных ромбоэдрических кристаллов. Происхождение доломитов, в отличие от известняков, в основном химическое. В современную эпоху они образуются редко на береговых отмелях некоторых тропических морей (Красного моря, побережья Австралии, а также в осадках оз. Балхаш в Казахстане). Мощные толщи доломитов геологического прошлого образовывались вероятно путем непосредственного химического выпадения из морской воды и в озерных бассейнах в условиях аридного климата.

Значительная часть доломитов образовалась в период диагенеза при воздействии морских и иловых вод на известковые и известково-доломитовые осадки.

По макроскопическому облику доломиты напоминают известняки и ориентировочно отличаются от них по описанной выше реакции с 5%-ной соляной кислотой.При определении карбонатности пород, либо при изучении диагностируемых карбонатных минералов проводят их опробование 5-процентной соляной кислотой. При этом кальцит с шипением растворяется в холодной кислоте в куске, доломит растворяется в холодной кислоте только в порошке, а сидерит "шипит" в порошке, но при нагревании кислоты.

Выделяются следующие подгруппы доломитов.

Обломочные доломиты. Среди обломочных доломитов различаются, также как и среди обломочных известняков, конгломераты, брекчии, доломитовые песчаники и другие обломочные породы. Состоят они из окатанных или угловатых обломков доломита, содержат примеси терригенного материала и сцементированы доломитовым или кальцитовым цементом.

Обломочные доломиты распространены среди мощных доломитовых толщ в виде пластов, линз и явились результатом перемыва доломитовых пород в условиях пляжевого мелководья. Брекчии иногда имеют химическое происхождение, как продукты внутриформационной коры выветривания.

Доломиты с органогенной структурой иногда содержат различимые органические остатки. Последние обычно сложены пелитоморфным доломитом, а их матрикс также представлен пелитоморфным или зернистым доломитом и кальцитом. Доломиты такого типа формируются как продукты доломитизации карбонатных осадков на стадиях седиментации или в процессе диагенеза. Известны доломиты с остатками кораллов, брахиопод, мшанок, пелиципод и др. организмов.

Водорослевые доломиты состоят из крупных караваеобразных тел - биогерм, мелких округлых шарообразных тел, почти полностью сложенных водорослями синезелеными и зелеными, концентрирующими карбонат магния. Тела водорослей сложены пелитоморфным доломитом. Цемент в породах доломитовый, иногда они отличаются высокой пористостью и кавернозностью. Бывают водорослевые доломиты с разорванными или переотложенными водорослями, отличающиеся горизонтальной или горизонтально-волнистой слоистостью.

Хемогенные доломиты - это пелитоморфные или микрозернистые, подчас оолитовые породы, лишенные органических остатков, однородные по структуре и составу, иногда с примесью ангидрита и гипса. Пелитоморфные доломиты иногда содержат прослои гидрослюдистых и монмориллонитовых глин.

Оолитовые доломиты состоят из концентрических и радиально-лучистых агрегатов, сцементированных пелитоморфным и зернистым доломитом.

Сидериты рассматриваются как диагенетические образования, сформировавшиеся в условиях низкого окислительно-восстановительного потенциала и существенного количества Сорг. в осадке. Сидерит может быть рассеян в осадочной породе, образовывать в них конкреции, выполнять полости и инкрустировать органогенные известняки.

В настоящее время образование сидерита связано с континентальными условиями. В пресных водоемах гумидной зоны сидерит является основным минералом, цементирующим обломочные породы и дающим конкреции. В более ранние эпохи он накапливался и в прибрежно-морских условиях, образуя оолитовые гидрогетит-шамозит-сидеритовые руды. Обилием сидеритовых и сидеритсодержащих конкреций характеризуются позднепалеозойские угленосные формации.

Карбонатные породы смешанного состава - доломитовые известняки (5-50% доломита), известковые доломиты (50-95% доломита), анкеритизированные известняки (от нескольких до 30-50%) анкерита образуются путем доломитизации и анкеритизации известкового ила, реже известняков. Иногда породы такого типа возникают вследствие раздоломичивания доломитов при процессах выветривания. Макроскопически переходные породы трудно отличить от доломитов и известняков. Для этого необходим комплекс дополнительных исследований.

Углистые известняки - обычно черного цвета, содержат до 50% углистого материала и обычно встречаются в разрезах совместно с угольными пластами.

Мергели - карбонатно-глинистые породы, тонкозернистые мягкие, реже камневидные и твердые белого, желтовато-серого и зеленовато-серого цвета. Сложены они пелитоморфным или микрозернистым кальцитом (редко доломитом) и тонким глинистым материалом. Распределение глинистой составляющей равномерное, редко она образует маломощные прослои. Глинистое вещество представлено монтмориллонитом и слюдой. Иногда мергели содержат значительную долю кремнезема (в виде опала). Нередко мергели содержат глауконит (глауконитовые мергели), цеолиты, барит, пирит. Часто в мергелях содержатся слои фораминифер, кокколитофорид и др.

Карбонатные породы – осадочные или метаморфические горные породы известнякового, доломитового и карботнато-глинистого состава. Все разновидности карбонатных пород – известняк, мел, известняк-ракушечник, известковый туф, мергелистый известняк, мергель, за исключением мрамора, — находят применения в производстве цемента.

Во всех этих горных породах наряду с углекислым кальцием СаСО 3 могут содержаться примеси глинистых веществ, доломита, кварца, гипса. Содержание в известковых породах глинистых веществ не ограничено; примеси доломита и гипса в больших количествах вредны.

Качество карбонатных пород как сырьевого материала для производства цемента зависит от их физических свойств и структуры: породы с аморфной структурой легче взаимодействуют при обжиге с другими составляющими сырьевой смеси, чем породы с кристаллической структурой.

Известняки – один из основных видов известкового сырья. Плотные известняки, широко распространенные, часто имеют мелкокристаллическую структуру.

Плотность известняков составляет 2700-2760 кг/м 3 ; прочность на сжатие до 250-300 МПа; влажность колеблется от 1 до 6%. Наиболее пригодны для производства цемента мергелистые и пористые известняки с не высоким пределом прочности при сжатии, не содержащие кремниевых включений.

Мел – осадочная мягкая, легко растирающаяся горная порода, представляющая собой разновидность слабо сцементированного мажущего известняка. Мел легко измельчается при добавлении воды и является хорошим сырьем для производства цемента.

Мергель – осадочная порода, представляющая собой смесь мельчайших частиц СаСО 3 и глины с примесью доломита, тонкого кварцевого песка, полевого шпата и др. Мергель – переходная порода от известняков (50-80%) к глинистым породам (20-50%). Если в мергелях соотношение между СаСО 3 и глинистой породой приближается к требуемому для производства цемента и значения силикатного и глиноземного модулей находятся в допустимых пределах, то мергели называют натуральными или цементными. Структура мергелей различная: плотная и твердая или землисто-рыхлая. Залегают мергели большей частью в виде слоев, отличающихся один от другого по составу. Плотность мергелей колеблется от 200 до 2500 кг/м 3 ; влажность в зависимости от содержания глинистых примесей 3-20%.

Для производства цемента можно применять различные виды карбонатных пород, как-то: известняк, мел, известковый туф, известняк-ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т. п.

Во всех этих горных породах наряду с углекислым кальцием, главным образом в виде кальцита, желательно тонкодисперсного, могут содержаться примеси глинистых веществ, доломита, кварца, гипса и ряда других. Глину в производстве цемента всегда добавляют к известняку, поэтому примесь в нем глинистых веществ желательна. Примеси доломита и гипса в больших количествах вредны. Содержание MgO и SО 3 в известковых породах должно быть ограничено. Кварцевые зерна не являются вредной примесью, но затрудняют производственный процесс.

Качество карбонатных пород зависит и от их структуры: породы с аморфной структурой легче взаимодействуют при обжиге с другими составляющими сырьевой смеси, чем породы с кристаллической структурой.

Плотные известняки , имеющие часто мелкокристаллическую структуру, широко распространены и являются одним из главных видов известкового сырья. Встречаются кремнистые известняки, пропитанные кремнекислотой. Для них характерна особенно большая твердость. Наличие в известняке отдельных кремневых включений затрудняет его использование, так как включения эти необходимо отделять вручную или на обогатительных фабриках путем флотации.

Обогащение цементного сырья путем флотации применяется лишь на некоторых зарубежных цементных заводах, имеющих некондиционное сырье. Такое обогащение может оказаться целесообразным только в тех районах, где нет более чистого сырья, пригодного для производства цемента.

Мел представляет собой мягкую, легко растирающуюся породу, состоящую из частиц с сильно развитой поверхностью. Он легко измельчается при добавлении воды и является хорошим сырьем для производства цемента.

Известковые туфы — сильно пористая, иногда рыхлая карбонатная порода. Туфы сравнительно легко разрабатываются и также являются хорошим известковым сырьем. Примерно такими же свойствами обладают и известняки-ракушечники.

Объемный вес плотных известняков равен 2000-2700 кг/м 3 , а мела — 1600-2000 кг/м З. Влажность известняка колеблется в пределах 1-6%, а мела 15-30%.

Наиболее пригодны для производства цемента мергелистые и пористые известняки с невысоким пределом прочности при сжатии (100-200 кг/см 2), не содержащие кремневых включений. По сравнению с твердыми и плотными разновидностями такие известняки легче измельчаются и быстрее наступают при обжиге в реакцию с другими компонентами сырьевой смеси.

Мергель является осадочной породой, представляющей собой природную гомогенную смесь кальцита и глинистого вещества с примесью доломита, тонкого кварцевого песка, полевого шпата и др. Различают известковые мергели, глинистые мергели и т.д. Если в мергелях соотношение между углекислым кальцием и глинистым веществом приближается к требуемому для производства цемента и значения силикатного и глиноземного модуля находятся в допустимых пределах, то их называют натуральными или цементными. Обжигают их в виде кусков (без всяких добавок) в шахтных печах, чем устраняется предварительная, подготовка сырьевой смеси и снижается стоимость готового продукта. Однако такие мергели встречаются весьма редко.

Мергели имеют различную структуру. Одни из них плотные и твердые, другие — землисторыхлые. 3алегают они большей частью в виде слоев, отличающихся друг от друга по составу. Объемный вес мергелей обычно колеблется в пределах 2000-2500 кг/м З; влажность их, в зависимости от содержания глинистых примесей, 3-20%.