Какие породы относятся к карбонатным. Карбонатные породы минеральный и химический состав
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.
На Земле существует огромное количество различных горных пород. Некоторые из них обладают схожими признаками, поэтому их объединяют в крупные группы. Например, одна из них - это карбонатные породы. Об их примерах и классификации читайте в статье.
Классификация по происхождению
Карбонатные горные породы формировались разными путями. Всего существует четыре способа образования такого типа пород.
- Из химических осадков. Таким образом появились доломиты и мергели, известняки и сидерит.
- Из органогенных осадков образовались такие породы, как водорослевые и коралловые известняки.
- Из обломков сформировались песчаники и конгломераты.
- Перекристаллизованные породы - это некоторые виды доломитов и мрамора.
Структура карбонатных пород
Одним из важнейших параметров, по которым отбирают необходимые для производства и переработки горные породы, является их структура. Важнейший аспект структуры карбонатных пород - это их зернистость. Этот параметр разделяет породы на несколько типов:
- Грубозернистые.
- Крупнозернистые.
- Среднезернистые.
- Мелкозернистые.
- Тонкозернистые.
Свойства
В связи с тем, что существует большое количество горных пород карбонатного типа, каждая из них обладает своими свойствами, за которые она очень ценится в производстве и промышленности. Какие же физические, а также химические свойства карбонатных пород известны людям?
- Хорошая растворимость в кислотах. Известняки растворяются в холодном состоянии, а магнезит и сидерит - только при подогреве. Однако результат получается сходным.
- Высокая морозостойкость и хорошая огнеупорность - несомненно, важнейшие качества многих карбонатных пород.
Известняковые горные породы
Любая карбонатная порода состоит из минералов кальцита, магнезита, сидерита, доломита, а также разных примесей. Из-за отличий в составе эта большая группа горных пород подразделяется на три более мелкие. Одна из них - известняковые.
Их основная составляющая - кальцит, а в зависимости от примесей они делятся на песчаные, глинистые, кремнистые и другие. Они обладают разными текстурами. Дело в том, что на трещинах их пластов можно разглядеть следы ряби и дождевых капель, кристаллов солей, которые являются растворимыми, а также микроскопические трещины. Известняки могут быть различными по окраске. Доминирующим цветом является бежевый, сероватый или желтоватый, а примеси имеют розовый, зеленоватый или коричневатый оттенок.
Самыми распространенными известняковыми горными породами являются следующие:
- Мел - очень мягкая порода, которая легко растирается. Ее можно сломать руками или же растереть в порошок. Она считается разновидностью сцементированного известняка. Мел - бесценное сырье, используемое при производстве строительного материала цемента.
- Известковые туфы - пористая рыхлая горная порода. Она в достаточной степени легко разрабатывается. Почти такое же значение имеют и ракушечники.
Доломитовые горные породы
Доломитовые - это породы, содержание минерала доломита в которых составляет более 50%. Часто в них содержатся примеси кальцита. Из-за этого можно наблюдать некоторые сходства и различия двух групп горных пород: собственно доломитов и известняка.
Доломиты отличаются от известняка тем, что обладают более выраженным блеском. Они меньше растворяются в кислотах. Даже остатки органики намного реже встречаются в них. Окраска доломитов представлена зеленоватыми, розоватыми, коричневатыми и желтоватыми оттенками.
Какие доломитовые породы распространены больше всего? Это, в первую очередь, бросит - более плотный камень. Кроме того, существует грейнерит нежно-розового цвета, он широко применяется в дизайне интерьера. Теруелит - тоже разновидность доломита. Этот камень примечателен тем, что в природе встречается только в черном цвете, в то время как остальные породы данной группы окрашены в светлые оттенки.
Карбонатно-глинистые породы, или мергели
В состав карбонатных пород этого типа входит много глины, а именно - почти 20 процентов. Сама по себе порода с таким названием обладает смешанным составом. В ее структуре обязательно присутствуют алюмосиликаты (глинистые продукты распада полевого шпата), а также карбонат кальция в любой форме. Карбонатно-глинистые породы являются переходным звеном между известняками и глиной. Мергели могут обладать различной структурой, плотной или твердой, землистой или рыхлой. Чаще всего они залегают в виде нескольких слоев, каждый из которых характеризуется определенным составом.
Высококачественная карбонатная порода этого типа используется при производстве щебня. Мергель, содержащий примеси гипса, не представляет никакой ценности, поэтому данная его разновидность почти не добывается. Если сравнивать этот вид горных пород с другими, то больше всего он похож на сланцы и алевролит.
Известняк
Любая классификация карбонатных пород содержит группу под названием «известняки». Камень, который дал ей название, получил широкое применение в разных областях промышленности. Известняк - самая популярная порода в своей группе. Она обладает рядом положительных качеств, благодаря которым и получила широкое распространение.
Существует известняк разных цветов. Все зависит от того, насколько много в породе содержится окислов железа, ведь именно эти соединения окрашивают известняк во многие тона. Чаще всего это коричневые, желтые и красные оттенки. Известняк - камень достаточно плотный, он залегает под землей в виде огромных слоев. Иногда образуются целые горы, основополагающим компонентом которых является данная горная порода. Разглядеть описанные выше слои можно неподалеку от рек с обрывистыми берегами. Здесь их очень хорошо видно.
Известняк обладает рядом свойств, которые отличают его от других горных пород. Различить их очень легко. Самый простой способ, который можно выполнить в домашних условиях, - это капнуть на него немного уксуса, всего несколько капель. После этого послышатся звуки шипения и начнется выделение газа. У других пород такой реакции на уксусную кислоту нет.
Использование
Каждая карбонатная порода нашла применение в какой-либо области промышленности. Так, известняки наряду с доломитами и магнезитами используются в металлургии в качестве флюсов. Это такие вещества, которые применяются при выплавке металлов из руды. С их помощью снижается температура плавления руд, что помогает легче отделить металлы от пустых пород.
Такая карбонатная порода, как мел, знакома всем учителям и школьникам, ведь с ее помощью пишут на доске. Кроме того, мелом белят стены. Из него также изготавливают порошок для чистки зубов, однако в настоящее время этот заменитель пасты сложно раздобыть.
Известняк применяют для получения соды, азотистых удобрений, а также карбида кальция. Карбонатная порода любого из представленных типов, например, известняк, используется при строительстве жилых, производственных помещений, а также дорог. Он получил широкое распространение в качестве облицовочного материала и заполнителя бетона. Он также применяется для получения с минералами и для насыщения почвы известняком. Из него создают например, щебень и бут. Кроме того, из этой породы производят цемент и известь, которые получили широкое распространение во многих видах промышленности, например, в металлургический и химической.
Коллекторы
Существует такая как коллекторы. Они обладают способностью, которая позволяет им вмещать воду, газ, нефть, а черед какое-то время отдавать их при разработке обратно. Почему так происходит? Дело в том, что ряд горных пород обладает пористой структурой и данное качество очень ценится. Именно благодаря пористости они могут вмещать в себя большое количество нефти и газа.
Карбонатные породы - коллекторы высокого качества. Самыми лучшими в своей группе являются доломиты, известняки, а также мел. 42 процента применяемых коллекторов нефти и 23 процента коллекторов газа - карбонатные. Данные горные породы занимают второе место после терригенных.
* Карбонатные породы широко распространены на земном шаре. Они сложены карбонатами кальция, магния. Железа марганца и образуют толи значительной мощности (до нескольких километров) КЛАССИФИКАЦИЯ Классификация карбонатных пород основана на их генезисе и минеральном составе. Происхождение карбонатных пород весьма разнообразное - обломочное, хемогенное и биогенное. Весьма характерны породы смешеннаго состава с присутствием карбонатного материала. Среди них выделяются 2 подгруппы: собственно карбонатного состава (кальцит-доломитове и доломит-кальцитовые) и смесь материала разных вещественно-химических типов осадочных образований – углисто-карбонатные, сульфатно-карбонатные, кремниево-карбонатные и глинисто-карбонатные. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ. Главными породообразующими минералами являются кальцит Ca(CO 3), доломит Сa. Mg(CO 3)2, арагонит Ca(CO 3), анкерит Ca(Fe, Mg)(CO 3)2 В породах смешенного состава важными компонентами являются ангидрит, гипс, опал, халцедон кварц, глинистые минералы, углистое и битуминозное вещество. Важнейшими породообразующими организмами карбонатных пород являются фораминиферы. Мшанки. Кораллы, криноидеи, кораллы, брахиоподы, известковые водоросли.
Текстура. Широко распространены массивные (особенно в перекристал лизованныхпородах) и слоистые (тонко и грубослоистые) текстуры, а также пятнистые, комковатые, оолитовые, пизолитовые, конгломератовидные, стилолитовые, пористые и кавернозные. Химический состав карбонатных пород, мае. %
* Структура. Для карбонатных пород характерно большое разнообразие обломочных, органогенных и обломочно органогенных структур. Среди обломочных различают псефитовые (размер обломков в основном более 1 мм) и псаммитовые (крупно, средне и мелкозернистые) структуры (1 0, 1 мм), а также микрозернистые (размер частиц 0, 1 0, 01 мм) и пелитоморфные (менее 0, 01 мм). Органогенные структуры подразделяются на две группы: цельнораковинные и детритовые. В перекристаллизованных типах пород отме чаются кристаллически зернистые и гигантокристаллические структуры. Структуры могут быть также натечными (например, для сталактитов, сталаг митов, различных корочек и т. д.). Диагностические признаки. По окраске карбонатные породы бывают как светлыми, так и темными с различными оттенками (бурым, красноватым, зеле новатым, желтоватым и др.). Их отличает пониженная твердость (легко режутся ножом, за исключением окремнелых разностей известняков) и плотность. Важным диагностическим признаком карбонатных пород является реак ция с разбавленной соляной кислотой. Известняки вскипают при попадании ка пли соляной кислоты, доломитовые породы вскипают в порошке. Мергели по сле реакции с кислотой оставляют грязное пятно (глинистая часть породы). Основные типы пород. Среди известковых (кальцитового состава) пород преобладают известняки различного происхождения. Обломочные известняки сложены обломками ранее образованных известняков и известковых организ мов. Обломки существенно различаются по степени окатанности.
* Название породы включает также род организма, замещенного карбонат ным веществом, фораминиферово обломочные, криноидно обломочные, пе лециподово обломочные, моллюсково обломочные известняки и т. д. В известняках важную роль играет цементирующая масса, которая по объему может преобладать над обломочным материалом. Характерными при месями в известняках являются частицы кварца, полевых шпатов, глинистых минералов. Биогенные известняки состоят из остатков организмов в виде раковин хо рошей сохранности или их фрагментов, не имеющих следов механической об работки при переносе (например, водным потоком). Среди ракушечников (цельнораковинных известняков) широко распро странены фораминиферовые, пелециподовые, брахиоподовые, криноидные. Часто встречаются известняки смешанного состава, например фораминиферо во криноидные, фораминиферово водорослевые и т. д. Рифовые и биогермшые известняки состоят из продуктов замещения при крепленных организмов кораллов, мшанок, водорослей. Формой их залегания нередко являются массивы большого размера. Характерным представителем группы водорослевых известняков являются строматолитовые. Белый писчий мел это высокопористая мягкая порода белого цвета. Яв ляется весьма специфической разновидностью биомикрита, состоящей из ос татков известковых водорослей кокколитофорид, мелких фораминифер, мель чайших частиц кальцита. Как правило, это очень чистая порода, содержащая более 90% карбоната кальция, и примерно 75 90% его массы присутствует в виде органогенных частиц размером менее 4 микрон.
* Хемогенные известняки представлены микрозернистыми, пелитоморфными, оолитовыми, пизолитовыми и псевдоолитовыми разностями. Пелитоморфные известняки состоят из частиц кальцита лапчатой формы размером ме нее 0, 005 мм. Они отличаются плотной структурой, раковистым изломом и имеют разную окраску от светлой до темной. Оолитовые известняки состоят из мелких (до 1 мм) шарообразных выделений концентрического или радиаль но лучистого строения. Псевдоолитовые известняки также состоят из сфериче ских частиц, но в них отсутствует аналогичное строение. Пизолитовые извест няки отличаются от оолитовых несколько более крупными размерами выделе ний(2 10 мм). (Эолиты и пизолиты сцементированы в породе карбонатным це ментом, масса которого переменна, вплоть до преобладания в ней. Известковые туфы и натеки образуются вблизи минеральных источни ков. Отличаются пористой структурой натечного сложения. Туфы окрашены в желтовато серые и буроватые тона, но иногда почти белые. Перекристаллизовапные известняки образуются из первичных известня ков разного генезиса в процессах катагенеза и метагенеза. Кристаллически зернистые разности характеризуются различной крупностью зерен (грубо, крупно, средне, мелко и микрозернистые известняки). В мраморизованных известняках встречаются кристаллы кальцита размером до нескольких санти метров. Такие породы залегают в складчатых зонах в толщах метаморфизованных или сильно измененных осадочных пород.
Особой разновидностью известковых пород являются окремнелые известняки, содержащие конкреции халцедонового состава. Они характеризуются повышенной твердостью. Вторичные известняки образуются различными путями в процессе рас творения соляных залежей, при выветривании доломитов («раздоломиченные») и т. д. Раздоломиченные породы представляют собой средне или крупнозерни стые известняки, часто кавернозные и ноздреватые. Иногда в них сохраняются линзы первичных доломитов. Другой распространенной карбонатной породой являются доломиты, в которых содержание минерала доломита нередко превышает 95%. В их мине ральном составе обычно присутствуют примеси кальцита, реже пирита, халцедона, кварца, органического вещества и др. В некоторых разностях отмечены вкрапления ангидрита, гипса, сфалерита и галенита. Обломочные доломиты встречаются в виде прослоев, линз и пластов, за легающих среди мощных доломитовых толщ, и образуются в результате перемыва продуктов их разрушения в прибрежно морских условиях. Они сложены окатанными, угловатыми или угловато окатанными обломками доломита, сце ментированными доломитовым же или кальцитовым цементом. Типична также примесь терригенного материала (обломочные частицы кварца, полевых шпа тов и др.).
* Доломиты органогенного происхождения содержат остатки кораллов, брахиопод, мшанок, пелеципод и других организмов, замещенные пелитоморф ным доломитом. Цемент этих пород обычно представлен также пелитоморф ным или зернистым доломитом с примесью кальцита, Они образуются при до ломитизации карбонатных осадков или эпигенетическом преобразовании пер вичных известняков. Водорослевые доломиты состоят из крупных округлых образований биогерм и мелких шарообразных зерен, почти нацело сложенных пелитоморным доломитом, замещающим синезеленые и зеленые водоросли, которые кон центрировали в процессе жизнедеятельности карбонат магния. Они отличаются высокой пористостью и кавернозностью. Другой разновидностью являются во дорослевые доломиты с переотложенными и деформированными водорослями Хемогенные доломиты отличаются микрозернистой или пелигоморфной структурой и отсутствием органических остатков. Кроме того, широко распро странены доломиты с примесью ангидрита и гипса, а также оолитовые доломи ты. Вторичные доломиты образуются в процессе замещения известняков. Они залегают обычно в виде линз среди известняков или содержат участки ос таточного известняка Кремнистые известняки и доломиты могут содержать до 50% халцедона или других разновидностей кремнезема. Эти породы отличаются высокой проч ностью. Халцедон в них образует макроскопически заметные выделения ин крустации в порах и кавернах, конкреции и т. д. При более высоком содержании кремнезема (от 50 до 95%) породы относят к известковым силицитам. Углистые известняки и доломиты включают до 50% углистого материала и окрашены в черные тона, часто с отпечатками растений и обугленными рас тительными остатками. Обычно встречаются в виде пропластков среди уголь ных пластов. При содержании углистого материала от 50 до 75% порода отно сится к известковому углю. Глинисто карбонатные породы представлены мергелем. Мергели это тонко или микрозернистые светлые или темные обычно мягкие породы, сло женные пелитоморфным или микрозернистым кальцитом (реже доломитом) и тонким глинистым материалом.
* Распределение глинистой примеси в породе часто равномерное. Иногда в качестве примеси присутствуют опал (кремни стый мергель), глауконит (глауконитовый мергель), цеолиты, барит, пирит. Глинистое вещество представлено монтмориллонитом и гидрослюдами. Сульфатно карбонатные породы представлены ангидрито-доломитами. В них в заметном количестве присутствуют, наряду с доломитом, ангидрит и гипс. Среди карбонатных пород смешанного состава нередко встречаются и трехкомпонентные: глинисто известняково доломитовые, глинисто углистые | известняки и доломиты и т. д. Коллекторские и инженерно-геологические свойства. Карбонатные поро ды часто являются коллекторами нефтеносных залежей и подземных вод. Их: коллекторские свойства зависят от степени трещиноватости, кавернозности. объема и характера распределения цемента. Они варьируют в широких преде лах. Карбонатные породы нередко являются основанием для разного рода со оружений, что требует обязательного учета их инженерно геологических; свойств. Прочность карбонатных пород определяется степенью их выветрелости, минеральным составом, трещиноватостью, обводненностью.
В диагенезе карбонатных осадков главную роль играют процессы: растворение карбонатного материла, * Изменение цементация, т. е. формы кристаллов кальцита в процессе опреснения морской воды (слева направо) (по П. Фолку): выпадение минералов в порах и трещинах осадков, перекристаллизация.
катагенез Стилолиты "Арматурная" текстура
* . Применение. Известняки применяют в металлургии в качестве флюсовой материал и т. д. В металлургии известняки употребляются в качестве флюс обеспечивающего переход рудных компонентов в свободное металлическое с» стояние, а вредных примесей в шлаки. При этом количество Са. О не должь быть ниже 50%. Флюсовые известняки должны быть механически прочными, смеси с глиной известняки используют для получения портландцемента. Of являются основным сырьем для производства негашеной извести. В химич ской промышленности они также используются при производстве карбид кальция, соды, едкого натра и т. д. В стекольной промышленности извести; вводят в шихту для повышения химической стойкости стекла. В сельском х
ПОРЯДОК ОПИСАНИЯ КАРБОНАТОВ 1. Название породы 2. Окраска, блеск 3. Структура 4. Текстура 5. Излом 6. Минеральный состав 7. Твёрдость 8. Морфология агрегатов и кристаллов 9. Включения, примазки. 10. Реакция с HCl. 11. Генезис, стадия литогенеза.
Наиболее широко распространенными карбонатными породами являются известняки и доломиты. Сидеритолиты, магнезитолиты, родохрозитолиты имеют существенно меньшее распространение. Специфика карбонатных пород заключается в большом разнообразии структурных видов, что объясняется разнообразием обстановок и способов их формирования.
Известняки – породы, состоящие преимущественно из кальцита. При наличии примеси песчано-алевритового материала, глины, кремнезема, доломита, глауконита, битума и т. п. известняки называются соответственно песчаными, алевритовыми, глинистыми, кремнистыми, доломитовыми, глауконитовыми битуминозными и т. п. Строение карбонатной породы определяется типом структурных зерен (компонентов), содержанием цемента и порового пространства. В качестве структурных зерен в известняках могут выступать обломочные зерна (карбонатного и некарбонатного состава, литокласты и кристаллокласты), биоморфные зерна (цельнораковинные и цельноскелетные, детритные и др.), различные сфероаграгаты (оолиты, пизолиты, сферолиты, комки и др.) и кристаллы минералов. Известняки характеризуются большим текстурным разнообразием. На поверхности пластов могут наблюдаться знаки ряби, сингенетические трещины, следы капель дождя, следы растворимых кристаллов солей, следы жизнедеятельности организмов. Известняки окрашены в светлые тона бежевого, желтоватого и серого цвета с зеленоватым, розоватым или коричневатым оттенками. В известняках часто встречаются органические остатки.
Доломиты – породы, состоящие более чем на 50% из минерала доломита. В доломитах часто содержится примесь кальцита, благодаря чему наблюдаются все переходы между известняками и доломитами. Примесь глинистого вещества обусловливает непрерывный ряд: доломит – мергель. Доломит царапается стальной иглой и отличается от известняка меньшей растворимостью в кислотах и более сильным блеском. Достоверно определить доломит можно лишь путем химического анализа (не вступает в реакцию с соляной кислотой, в отличие от известняка). Органические остатки встречаются в них гораздо реже, чем в известняках. В доломитах часто присутствуют весьма характерные аутигенные минеральные примеси (сульфаты, целестин, флюорит, закисные и оксидные соединения железа, кремнезем, органическое вещество), а также аллотигенные, представленные глинистым веществом, редко – песчаным и алевритовым материалом обычно некарбонатного состава. Доломиты окрашены в бежевый, серый цвет с зеленоватым, розоватым, коричневым или желтоватым оттенками.
Мергели – породы смешанного глинисто-карбонатного состава. Мергели обычно содержат 25–50% нерастворимого осадка. В зависимости от состава породообразующих карбонатных минералов, мергели делятся на кальцитовые и доломитовые, а от состава нерастворимого остатка – на кремнистые мергели и собственно мергели. Обычно имеют пелитоморфную или тонкозернистую структуру. При содержании карбоната свыше 75–80% порода носит название глинистого известняка; если содержание глины в породе превышает 75%, порода называется известковистой или доломитистой глиной. Мергели – пелитоморфные, в большинстве случаев мягкие, марающие, с землистым изломом породы. Они легко поглощают воду и часто распадаются при выветривании в рыхлую массу («рухляки», «трескуны»). Обычно они окрашены в светлые тона серого цвета с зеленоватым, розоватым или желтоватым оттенками. Но встречаются и яркоокрашенные разновидности красного, фиолетового и коричневого цвета (в красноцветных толщах). Тонкая слоистость для мергелей не характерна. В качестве примеси в мергелях присутствуют обломочные зерна кварца, полевых шпатов, акцессорных минералов. Из аутигенных минералов в мергелях отмечаются глауконит, часто в виде сферических и почковидных зерен, барит, цеолиты (преимущественно морденит), пирит и марказит в виде мельчайших сферических зерен. Кремнистые конкреции в мергелях представлены обычно халцедоном, кварцем или опалом. Оксиды и гидроксиды железа (преимущественно являющиеся продуктами окисления сульфидов железа) окрашивают мергели в желтоватые и красноватые оттенки. В мергелях встречаются остатки моллюсков, остракод, фораминифер и других раковин, широко развиты остатки мельчайших известковых водорослей – рабдолитов и кокколитов. В доломитовых мергелях определимые органические остатки встречаются очень редко. Иногда в основной массе мергелей наблюдается органическое вещество и углистые частицы либо равномерно распределенные в породе, либо образующие скопления в виде отдельных пятен. Известняки и доломиты отличаются от мергелей большей плотностью, способностью распадаться на плитчатые отдельности и часто обладают кристаллическизернистой структурой, не свойственной мергелям.
От глин мергели отличаются отсутствием пластичности, столь характерной для глинистых пород. Внешние признаки мергелей, по которым они определяются в полевых условиях, существенно меняются в зависимости от состава и количества глинистых компонентов. Минералы, не способные набухать от присутствия влаги (каолинит, гидрослюды, тонкодисперсный опал), находясь в виде примеси в карбонатной породе, не влияют на ее облик. Незначительная же примесь минералов группы монтмориллонита придает мергелю вид рухляка, что определяется способностью монтмориллонита при временном увлажнении и последующем высыхании легко распадаться в рыхлую массу. Кремнезем в мергелях бывает представлен мельчайшими округлыми опаловыми тельцами, аморфным кремнеземом, выпавшим из воды наряду с карбонатом кальция. Размер этих частиц обычно не превышает 0,01 мм. Изучение нерастворимого остатка мергелей дает представление о составе глинистых минералов и других примесей, входящих в состав породы.
Происхождение карбонатных пород
В настоящее время и в фанерозое (Н.М.Страхов и Г.И.Бушинский) большая часть карбонатных пород биогенна, а их химическая садка стала весьма подавленной и незначительной.
Источник вещества. Для образования карбонатолитов основной источник – запасы гидросферы, которые постоянно пополняются материалом терригенного сноса и гидротермами, как наземными, так и подводными. Ежегодно с суши в моря поступает 558 млн. т. СаСО3 , а запасы его в Мировом океане = 171 250 млрд. т., что в сотни тысяч раз (на пять порядков) превышает годовое поступление с суши практически из всех источников, так как гидротермальный взнос незначителен. Как и для кремнезема, ежегодный внос карбонатов, таким образом, практически никакого влияния на его осаждение не оказывает и все их источники обезличиваются в запасах гидросферы.
Лишь в редких случаях и малых масштабах гидротермальный источник извести непосредственно определяет образование карбонатных пород – это травертины, или известковые туфы, горячих источников Кавказа и других складчатых поясов Земли. Но и здесь в основной своей массе минерализация этих источников не ювенильная, а мобилизационная в стратисфере и гидросфере. В целом валовая оценка вулканогенно-гидротермального источника карбонатов не произведена.
Способы формирования
По способам формирования карбонатолиты самые разнообразные и никакая другая группа осадочных (и вообще горных пород) не может сравниться с ними по генетическому многообразию. В первом подходе карбонатные породы по способу образования делятся на вулканогенно-осадочные и экзогенно-осадочные. Вулканогенно-осадочные карбонатолиты далее делятся на эксплозивно-осадочные и гидротермные отложения.
Группа эксплозивно-осадочных отложений или туфов, представлена двумя типами известняков – брекчиями трубок взрыва, например, кимберлитами, и туфами притрубочных брекчий. Гидротермные отложения представлены отмеченными выше известковыми туфами и травертинами – отложениями горячих источников
Экзогенно-осадочные карбонатные породы (генетическая классификация)
А. Седиментогенные
I. Биогенные
1. Планктоногенные: фито-, зоогенные, бактериальные
2. Нектоногенные
3. Бентосогенные: фито-, зоогенные и др.
4. Копрогенные
II. Хемогенные:
активноводные (оолиты, онколиты – онкос – желвак, литос – камень – округлые стяжения – желваки с концентрической слоистостью, обычно известковистые) и
тиховодные (микриты – очень тонкозернистые известняки с величиной зерен менее 3,5-4 μ) – пресноводные, лагунные, шельфовые, пелагические)
III. Механогенные: коллювий, аллювий, эоловые и др.
Б. Метасоматические и интракрустальные
I. Элювиальные
I а Субаэральные
1. Хемоэлювиальные – панцыри карбонатные (калькреты и др.)
2. Физический элювий – развалы каменистые карбонатные
3. Механический элювий – перлювий (горизонты конденсации – ветровые, водные, перлювий – промываю- perluo)
I б Подводные
1. Xемоэлювиальные – панцыри (твердое дно)
2.Физический элювий – каменистые развалы
3. Механический элювий – подводный перлювий- горизонты конденсации раковин, сидеритовых и других карбонатных конкреций и желваков.
II. Пещерные и другие внутрикоровые брекчии растворения, обрушения (например, при растворении солей) – доломитовые и другие.
III. Постседиментогенные
IIIа. Диагенетические – конкреционные: изометричные конкреции, лигзы, пласты.
IIIб. Катагенетические – конкреции, гнезда, собственно метасоматиты (при карбонатизации других пород), зоны раздоломичивания и др.
IIIв. Метагенетические – участки метасоматоза, жилы, гнезда.
Экзогенно-осадочные карбонатные породы можно подразделить на седиментационные, или первичные, и метасоматические, или вторичные. Седиментационные карбонатолиты образуются как осадки, выпадающие из воды и значительно реже из воздуха. Различают три основных способа седиментации: химический, биологический и механический.
Хемогенные карбонатные осадки образуются из пересыщенных растворов. Карбонаты практически сразу возникают как кристаллы, которые осаждаются под действием силы тяжести по закону Стокса:
F = 6 π μ r v , где
F - сила сопротивления,
μ - коэффициент вязкости жидкости,
r - радиус шара,
v - скорость поступательного движения шара.
Закон Стокса, определяющий силу сопротивления, испытываемую твердым шаром при медленном движении в неограниченно вязкой жидкости.
Размеры кристаллов обычно менее 0,001 мм, они опускаются на дно весьма медленно, по пути могут частично раствориться. Поэтому хемогенные осадки и породы микритовые, плотные и тонкослоистые. В подвижных водах известь выпадает на взмученных песчинках, служащих зародышами оолитов и пизолитов.
Биогенные карбонатные осадки образуются тремя резко различающимися способами: осаждением скелетных остатков планктонных, нектонных и бентосных организмов.
Паланктоногенными являются микритовые, визуально незернистые, пелитоморфные известковые осадки и породы, например, писчий мел, многие мергели.
Нектоногенная группа представлена чаще всего аммонитовыми известняками.
Бентогенные (бентосогенные) формируются свободно передвигающимися безпозвоночными (цельнораковинные известняки) и прикрепленным бентосом (кораллы, водоросли, мшанки, губки). Они образуют плоские тела – биостромы («биологические слои») и столбообразные постройки –биогермы , достигающие десятков метров высоты, и вместе с другими литотипами – рифовые массивы.
Фактически это чисто химический способ осаждения карбоната из пресыщенной морской или пресной воды по схеме:
Са(НСО3)2 → СаСО3 ↓ + СО2 + H2O
Участие водорослей состоит в поглощении СО2 , из которого они строят свое органическое тело, т.е. им питаются. Но это и сдвигает карбонатное равновесие в сторону малорастворимого монокарбоната, который оказывается в состоянии пересыщения и выпадает на водорослевых слоевищах, фоссилизируя (фоссилизация – окаменение) их при жизни, а в багряных водорослях такой карбонат выпадает даже внутри клеток, которые, таким образом, также оказываются фоссилизированными. Чем более пышно развиваются водоросли, тем больше, даже лавинообразно выпадают на них и вокруг них хемогенный микритовый кальцит и доломит. Этот седиментогенный карбонат с биологической структурой практически сразу становится твердым, что и объясняет каркасообразующую роль водорослевых известняков в теле биогерма и рифа. Часто эту роль выполняют багряные водоросли.
Механогенные карбонатолиты по способу образования, структуре и текстуре аналогичны обломочным породам.
Метасоматические карбонатные породы образуются как элювий, чаще всего подводный, и при замещениях в постседиментационные стадии. В виде известковых панцырей, которые часто называют к"аличе (США) или калькреты (редко), бичроки (beach-rock – пляжные камни, прибрежно-морские отложения, сцементированные кальцитом) они широко распространены в аридных странах. Главный процесс их образования – подъем по капиллярам грунтовых вод с раствором СаСО3, который при испарении воды выпадает в твердую фазу в верхней части почвы, осадков и пород, цементируя их и постепенно наращивает сверху, т.к. ранее отложенная корка также пронизана капиллярами.
Известковые панцыри, известные под названием твердого дна, широко образуются под водой, чему способствуют быстрое твердение известкового ила, действие морской воды и биоса.
Физический элювий – развалы каменистые – конгломерато-брекчиевые и брекчиевые известняки.
Механический элювий образуется при перемывании незатвердевших осадков и пород.
Условия образования карбонатных пород
При всем разнообразии условий и обстановок карбонатонакопления отчетливо тяготение этих пород:
1) к теплым тропическим и экваториальным зонам Земли, на которые приходится их резкий максимум; ясны и основные причины:
2) повышенные температуры вод, способствующие химической садке и
3) пышному развитию организмов.
Если два основных химических способа – химический и биологический - тяготеют к теплому поясу Земли, то и вторичные карбонатолиты – метасоматические, вулканогенно-осадочные и другие – тоже будут приурочены к ним.
Но и в приполярных областях образуются карбонатные породы. В настоящее время здесь обильно накапливается раковинный материал. Но в целом карбонатообразование здесь подавлено, а химическая садка запрещена.
Помимо широкой климатической зональности карбонатообразование контролируется:
Степенью аридности,
Батиметрической зональностью,
Конкретной физико-географической, или фациальной зональностью.
В аридных зонах благодаря сильному испарению сохраняются до современного геологического момента условия химического осаждения не только кальцита, но и доломита, а также магнезита, а иногда и соды. Это совершается на ограниченных пространствах: в заливах, лагунах, на мелководье (шельф, банки).
Батиметрическая зональность проявляется в том, что ниже определенной глубины (в среднем 4 500 м), называемой критической или компенсационной, благодаря высокому давлению (450 атм.) и низкой температуре (до 0 и даже -1 -2°) в морской воде так много растворено СО2, что все карбонаты растворяются и осадки становятся бескарбонатными.
Конкретная физико-географическая или фациальная обстановка отражается не столько на карбонатонакоплении, сколько на образовании карбонатных пород. Парадокс седиментогенеза в том, что породообразование нередко осуществляется не там, где накапливаются соответствующие минералы. Карбонатонакопление максимально у берегов и уменьшается в сторону центральных частей водоемов. Однако у берегов карбонатонакопление подавляется терригенным материалом берега, наоборот, дальше от берега терригенный материал уменьшается, и карбонат становится преобразующим.
На этом профиле выделяется фотическая зональность – зона фотосинтеза водорослей (0-25 м или несколько глубже), в которой наиболее интенсивно извлечение карбоната из морской воды и его осаждение. Особая зональность связана с крупными океаническими течениями и апвеллингами – это оазисы жизни в океанах.
Тектонический контроль карбонатонакопления, в основном, косвенный, осуществляющийся через рельеф.
Теоретическое и практическое значение карбонатолитов
В теоретическом (научном) отношении по ним восстанавливают щелочной характер среды, высокие или повышенные температуры, низкие палеошироты, глубина (10-20 м), динамика (толстые раковины), нормальный газовый режим и населяющий моря биос.
По изотопам кислорода в неперекристаллизованных раковинах восстанавливают палеотемпературу, а по содержанию стронция и другим геохимическим показателям – тип воды, ее химизм и т.д.
Карбонаты отчетливо эволюционировали в истории Земли. Поэтому по ним восстанавливаются составы древних атмосфер и гидросфер и развитие жизни на Земле. Отсутствие карбонатов в глубоком архее указывает на агрессивность вод гидросферы, рН которой был ниже 7. Углекислая атмосфера также вначале не способствовала осаждению карбонатов.
Затем началась садка, в основном, доломита, магнезита, а также сидерита, что указывает на отсутствие или малое содержание кислорода в атмосфере. Массовое образование карбонатов падает на протерозой. В раннем протерозое преобладали доломиты, осаждались магнезиты, участие известняков постепенно возрастало. К химическому осаждению все больше присоединялось осаждение водорослями, что уменьшало возможность химического осаждения. Одновременно водоросли меняли состав атмосферы, которая становилась все более кислородной, а это исключало образование сидерита, родохрозита. Снижение содержания СО2 в атмосфере также приводило к вырождению хемогенной садки.
В настоящее время доломитообразование совершается лишь в эвапоритовых и специфических замкнутых водоемах с высоким щелочным резервом (типа оз. Балхаш). Не намного более разнообразны обстановки хемогенного осаждения известняков. А седиментогенез других карбонатов исключен. Это отвечает практически безуглекислогазовой (содержание СО2 в современной атмосфере всего 0,03%) кислородной современной атмосфере.
Практическое значение карбонатолитов
Заключается в том, что они все являются полезными ископаемыми.
Известняки используются как:
1) удобрения (известкование кислых почв),
2) стройматериалы (бут, строительный и облицовочный камень, материал для мощения дорог),
3) сырье для производства извести, цемента,
4) металлургия (в качестве флюса),
5) литографический камень в печатном деле,
6) писчий мел,
7) сахарная промышленность,
8) химическая промышленность (карбид кальция, синтетический каучук),
9) тексильная промышленность (отбеливание и очистка тканей),
10) бумажная промышленность (мелованная бумага),
11) кожевенная промышленность (очистка кожи),
12) парфюмерия (зубной порошок).
Доломиты используются во многом там же, где и известняки, но служат также для получения магния, огеупоров, в том числе огнеупорной одежды.
Сидериты используются как:
1) железная руда,
2) утяжелитель для приготовления буровых глинистых растворов.
Магнезиты – сырье для получения магния и огнеупоров.
Родохрозиты:
1) руда на марганец,
2) поделочный камень,
3) ювелирный камень.
Писчий мел
1) строительство (цемент, известь);
2) производство стекла, стекловолокна;
3) керамика;
4) химическая промышленность;
5) подкормка сельхозживотных;
6) резиновая промышленность;
7) лакокрасочная промышленность;
8) полимерная промышленность;
9) минеральная вата;