Основные процессы катагенеза

Уплотнение пород заключается в увеличении плотности гордых пород за счет уменьшения объема порового пространства увеличения роли твердой фазы. Процесс сопровождается изменением структуры и физических свойств осадочных образований

Уплотнение осадочных горных пород происходит в результате сближения  и  перегруппировки  их  составных частей  или вследствие заполнения пустот минеральными новообразованиями. В начальные этапы катагенеза уплотнение происходит в результате перегруппировки частиц, более плотной их укладки под действием литостатического (горного) давления, возрастающего по мере увеличения глубины залегания осадочных толщ. Максимальное уплотнение пород за счет перегруппировки частиц и более плотной их укладки в каждом конкретном регионе, в зависимости от литологического состава, формы, прочности, отсортированности, характера поверхности частиц, происходит на разных глубинах. В мезозойских песчано-алевритовых породах Прикаспийской впадины, содержащих цемента менее 10 %, процесс завершается на глубине 1200—1300 м. Уплотнение подобного типа происходит и под действием стресса.

После перегруппировки частиц дальнейшее уплотнение за счет давления может происходить в результате растворения частиц в точках соприкосновения друг с другом по принципу Рикке и приспособления их поверхностей друг к другу с образованием различных типов контактов. Перешедшие в раствор вещества могут здесь же перейти в твердую фазу, образуя каемки регенерации минеральных зерен. В процессе миграции подземные воды проходят области с различными термобарическими и геохимическими условиями. Изменение обстановок часто вызывает переход растворенных веществ в твердую фазу, заполняющую поры, каверны, трещины. Это приводит к дальнейшему уплотнению пород.

Степень уплотнения породы оценивают посредством плотности, пористости, коэффициента метаморфичности — по О. А. Черникову, коэффициента измененности  — по С. С. Савкевичу, коэффициента сообщаемости пор (Ж) — по П. А. Карпову. Есть и другие приемы оценки степени уплотнения пород, основанные на исследовании пород в шлифах под микроскопом.   Все они,  как и  вышеотмеченные,  имеют общие недостатки — применимость только для обломочных пород, не содержащих цемента, небольшая площадь исследования и большая трудоемкость.

Для определения степени уплотнения пород предлагается также коэффициент уплотнения k8 (Б. К. Прошляков, 1974), представляющий собой отношение плотности породы (бп) к плотности твердой фазы или минералогической плотности (бт):

k6 = 6П/ < бт.

Коэффициент уплотнения представляет собой безразмерную величину, показывающую во сколько раз плотность породы меньше плотности слагающей ее твердой фазы. По мере уплотнения бп->бт, а &в-М. Коэффициент уплотнения связан с величиной полной пористости (kn):

k6= 1—kn.

Данный способ выражения уплотнения пород имеет то преимущество, что он может быть применен для любых осадочных пород (песчаник, известняк, каменная соль и т. д.). Отжатие воды из осадочных горных пород происходит практически в течение всей стадии катагенеза. Начальное содержание   воды в   породах   довольно   значительно.   В   песчаных   и алевритовых породах она составляет до 50 % объема, а в глинистых еще больше.

Зона активного водообмена

 Зона активного водообмена как правило насыщена кислородом и углекислотой, поэтому обладает значительной окисляющей и растворяющей способностью. Особенно агрессивны воды этой зоны на участках окисления сульфидных месторождений, где они обогащены сульфат ионами. В составе зоны активного водообмена принято выделять три подзоны:

Подзона просачивания самая верхняя, расположенная между поверхностью и уровнем грунтовых вод. Все поры и трещины этой подзоны не полностью, спорадически, главным образом после дождей и снеготаяния, заполняются водой;

Подзона сезонных или многолетних колебаний уровня подземных вод характеризуется тем, что после снеготаяния и длительных дождей зеркало подземных вод поднимается, а в засушливый период опускается;

Подзона насыщения характеризуется постоянным заполнением пор и трещин растворами. Питание этой подзоны осуществляется за счет просачивания сверху вод, насыщенных свободным растворенным кислородом, а также за счет подтока из области питания и поступления газов и напорных вод из глубинных источников, лишенных свободного кислорода, а иногда и обогащенных восстановителями

В зоне замедленного стока формируются, как правило, устойчиво напорные, с высоким давлением (восходящие) подземные воды, известные под названием артезианских вод; они залегают ниже местных эрозионных врезов малых и средних рек, ограничены в глубину и в горизонтальном направлении глубинами и линиями эрозионного вреза и значительно слабее реагируют на метеорологические воздействия. Воды этой зоны играют некоторую, иногда и немаловажную, роль в питании больших рек в засушливых районах, русла которых отличаются глубоким эрозионным врезом. По характеру их поступления в реки различают открытые артезианские воды, непосредственно гидравлически связанные с поверхностными водами, и закрытые артезианские воды, поступающие в реки через вышележащие, сопряженные с ними водоносные горизонты.

Зона застойного водного режима характерна для глубокозалегающих водоносных комплексов и для гидрогеологических изолированных структур. Растворы этой зоны имеют повышенную минерализацию, часто повышенную температуру, обогащены азотом, метаном,  сероводородом и углекислотой.

В соответствии с гидродинамической зональностью отмечается изменение и химического состава водоносной системы, которое проявляется в увеличении минерализации, изменении состава и количества растворенных солей, газов, органических веществ, величин pH и Eh и др. показателей.В зоне относительного застоя залегают подземные воды, находящиеся под большим давлением. Они, как правило, восходящего типа, с большим пьезометрическим напором, с устойчивыми, местами очень высокими температурами. Движение вод этой зоны к поверхности земли обусловлено наличием тектонических разломов и представляет собой чрезвычайно редкое явление. Наиболее же ярко эта зона выражена в полосе вечной мерзлоты, где с выходами ее вод (подмерзлотных вод) связано устойчивое подземное питание рек и образование гигантских наледей.

Бассейнам пластовых вод свойственна хорошо выраженная вертикальная гидрогеодинамическая зональность, заключающаяся в последовательной смене по вертикали зон с различным темпом водообмена. Места или участки, где она нарушается, принято называть аномалиями. Изменение интенсивности подземного стока носит закономерный характер. Это позволило Ф. А. Макаренко и Н. К. Игнатовичу еще на рубеже 30—40-х годов XX в. предложить трехзональное деление гидрогеодинамического разреза осадочной толщи. Это деление упоминалось в томе «Общая гидрогеология» и выглядит следующим образом

Несколько иной подход к гидрогеодинамической зональности осадочных толщ мы видим у Г. Ю. Валукониса и А, Е. Ходькова (1973). Они также выделяют три зоны, которые, однако, различаются не по интенсивности водообмена, а по типу гидрогеодинамического режима.

1.         Верхняя зона охватывает хорошо водопроницаемые толщи пород, в которых движущей силой подземных вод является гидростатический напор. Величина пластовых напоров зависит от положения областей питания, стока и разгрузки. В ней выделяются две подзоны — аэрации и фильтраций Зона может отсутствовать в бассейнах пластовых вод, где господствует геостатический.режим, сочетающийся с проявлением внутренних сил (см. рис. 7.25).

2.         Средняя зона, включающая область переходных пластовых напоров и область геостатических пластовых давлений по схеме Ю. А. Ежова и Ю. П. Вдовина (см. рис. 7.24), отличается более высокими гидравлическими градиентами и преобладающим движением флюидов (воды, нефти, газа) снизу вверх. Основными напорообразующими факторами служат, кроме геостатического давления, гидравлические и вязкопластичные свойства пород.

3.!        Нижняя зона, пластовые давления в которой создаются в результате упругой релаксации водовмещающих пород и напряжениями тектонического генезиса, отличается пульсационным механизмом движения флюидов, обусловленным неравномерными тектоническими напряжениями осадочных толщ. От вышележащих эта зона отделяется обычно выдержан-: ным водоупором. В областях альпийской складчатости она залегает непосредственно под верхней зоиой.

, В противовес  классическим представлениям Ф. А. Макаренко, Н. К. Игнатовича и других  схема гидрогеодинамических зон Г. Ю. Валукониса и А. Е. Ходькова носит Умозрительный характер. Она, как и взгляды этих исследователей на гидрогеодинамику глубоких горизонтов, применима лишь к молодым бассейнам пластовых вод и является частным случаем, так как на древних платформах и в консолидированных толщах межгорных впадин выделяемая ими третья зона отсутствует. Поэтому схема Г. Ю. Валукониса и А. Е. Ходькова не получила широкого признания. В практике гидрогеологических исследований пользуются разделением на гИдрогеодинамические зоны по интенсивности водообмена.

Массивам трещинных вод (гидрогеологическим массивам) свойственна раскрытая гидрогеологическая структура (см. «Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология»). Подземные воды находятся в приповерхностной трещиноватой части, мощность которой составляет 60—80, иногда 200 м. Ниже, за исключением тектонически ослабленных участков, кристаллические шороды ^практически безводны. Следовательно, в гидрогеологических массивах происходит только свободный водообмен с поверхностью. Говорить о замедленном или пассивном водообмене нет оснований.