В изучении геохимических проблем осадочного литогенеза разработке вопросов теории осадочной дифференциации вещества в процессе выветривания и седиментации принадлежит самое руководящее значение. Главное — познать закономерности геохимического распределения вещества при выветривании, почвообразовании, гидрогенезе, галогенезе, биогенезе, диагенезе при отложении на месте и переносе его на большие расстояния. Осадочной дифференциацией определяются стратиграфические, литологические, минералогические и геохимические особенности осадочных отложений, их состав и фациальные комплексы.
Некоторые важные аспекты этой проблемы рассмотрены в работах В.М. Гольдшмидта, Л.В. Пустовалова, А.Е. Ферсмана, Б.Б. Полынова, Н.М. Страхова, Б.П. Кротова, Г.И. Теодоровича, К.И. Лукашева и др.
В числе важнейших факторов осадочной дифференциации отмечаются геохимические свойства элементов, их миграционная способность, состав и свойства кристаллов, минералов и горных пород, характер выветривания и переноса материала, термодинамические условия среды. Кратко напомним, что в схеме В. М. Гольдшмидта осадочная дифференциация объясняется ионными потенциалами элементов, которыми определяется поведение элементов при взаимодействии вещества с водой. В зависимости от величины ионных потенциалов одни элементы (например, двухвалентный бериллий, трехвалентный алюминий, четырехвалентный титан) осаждаются совместно; другие (Ca, Na, Mg) остаются в растворе при выветривании и переносе; третьи осаждаются при гидролизе и т. д.
Такие элементы, как Na, Cl, В, J, Br, и некоторые другие, играющие особую роль в осадочном морском комплексе, В.М. Гольдшмидт назвал руководящими.
В схеме Б.Б. Полынова геохимическая дифференциация выступает в образовании различных остаточных и аккумулятивных стадий коры выветривания и в результате последовательного выноса химических соединений: обломочной, сиаллитной, аллитной, карбонатной, хлоридно-сульфатной, парагенетически связанных между собой в фазах и циклах развития орто-, пара- и неоэлювия.
По Полынову, грубообмолочная стадия является наиболее ранней, а аллитная — последней фазой химического выветривания и дифференциации. На начальной стадии продукты выветривания теряют хлориды и сульфаты (хлор и серу), на конечной — кремнезем.
Л.В. Пустовалов и А.Е. Ферсман с осадочной дифференциацией связывают образование ряда континентальных и морских геохимических фаций — латеритной, подзолистой, растворимых солей, железных руд, углей и др. А.Е. Ферсман предложил также схему последовательности образования осадков соляных бассейнов, выделив зоны кремневых отложений, железистых осадков, карбонатов Ca и Mg, гипса, ангидрита, астраханита, карналлита и др. В работах Н.М. Страхова обоснована схема закономерности размещения отложений железа, марганца, алюминия, кремния, фосфора и других элементов в условиях суши и водоема.
Наиболее полный перечень форм химической дифференциации содержится в работах Г.И. Теодоровича. Среди них: 1) почвенные горизонты; 2) горизонты коры выветривания; 3) химическое и механическое разделение в путях переноса; 4) химическое разделение в прибрежной полосе озер, опресненных лагун и морских водоемов; 5) разделение в осолоненных лагунах; 6) химическое разделение в пересыщенных растворах; 7) разделение в зонах донного течения; 8; биохимическое разделение и фиксация химических элементов в скелетах организмов; 9) обогащение осадков в результате эффузии или термальной деятельности.
Труды названных и других ученых сыграли большую роль в изучении и объяснении важнейших закономерностей формирования осадочных отложений, специфики их геохимического состава и пространственного размещения в земной коре. В то же время развитие литологии и геохимии в последнее время позволяет формулировать ряд новых положений, характеризующих формы и процессы осадочной дифференциации.
Схематическое изложение главных положений автора по этому вопросу сводится к следующему. Нами выделены основные формы осадочной дифференциации.
1. Механическая дифференциация определяется: а) составом вещества (размером частиц, их удельным весом); б) условиями и способом отложения и переноса (путем гравитационного перемещения по склону, водой, ледником, ветром). В результате механической дифференциации образуются остаточные и аккумулятивные отложения. Среди последних видное место занимают: в горных районах — отложения коллювия, делювия и пролювия; в равнинных — отложения рек и континентальных озер; в прибрежных — дельтовые и пляжевые; в пустынных — эоловые. С механической дифференциацией связано образование россыпей ценных минералов и металлов: золота, платины, титана, циркония, тория и др. Продукты механической дифференциации в виде песков, глин илов и более грубообломочных отложений являются господствующими в осадочной толще земной коры.
2. Химическая дифференциация — определяющими факторами являются химические свойства элементов, их валентность, способность к растворению, окислению, восстановлению, комплексообразованию, обменным реакциям, осаждению из растворов, к коллоидной коагуляции, пептизации и др. Весьма характерными в этой группе являются продукты: а) окислительно-восстановительных процессов, руды железа, марганца, меди, серебра, серы и др.; б) химической садки (хлоридов, сульфатов, карбонатов); в) эллювиально-иллювиальных процессов выноса и аккумуляции подвижных химических соединении в почве и корах выветривания; г) комплексообразования.
В целом отложения химической дифференциации (хемогенные отложения) представлены большим количеством представителей карбонатных, железистых, кремнистых и соляных отложений.
3. Кристаллохимическая дифференциация определяется процессами кристаллизации из растворов и расплавов в разных геохимических условиях среды, образование разнообразных классов минералов и генетических типов пород, структурные преобразования минералов под воздействием геохимических процессов (гидролиза, гидратации, изменения кислотности и др.). В осадочной толще с кристаллохимической дифференциацией связаны образование и переход из одного кристаллического состояния в другое большего количества гипогенных и гипергенных минералов, особенно силикатов и алюмосиликатов, избирательное (в зависимости от pH—Eh среды), образование различных минералов, особенно железа, марганца, магния, серы и других элементов,, а также глинистых минералов.
4. Биологическая дифференциация — определяющими факторами являются избирательная способность биоценозов к использованию химических элементов, процессы минерализации органического вещества и биосинтеза гумусовых и других органических веществ, условия накопления и сохранения биомассы. Главные продукты: биолиты угольного и нефтяного ряда, многообразные продукты биосинтеза, органо-минеральные образования.
5. Гидрохимическая дифференциация. Для нее характерны: компонентный состав растворов, их насыщенность, состав химических элементов и их ассоциация, форма нахождения в воде (минеральная, ионная и др.). Результаты гидрохимической дифференциации хорошо проявляются в отложениях солей, карбонатов, гидрогеохимических ореолов рассеяния металлов и др.
6. Газовая дифференциация характеризуется способностью к летучести, переходу вещества из твердого и жидкого в летучее состояние, радиоактивная эманация, конституционная связь газов с минеральными водами, биолитами и другими образованиями. Важнейшими представителями продуктов этой группы являются газы магматических, метаморфических и осадочных пород, углей и нефти, подземных вод и источников, газы океанов и морей, газы атмосферы и др. Под воздействием мигрирующих в земной коре газов происходит преобразование солевого состава вод и минералогического состава пород.
7. Термодинамическая дифференциация тесно связана с кристаллохимической и газовой формами. Определяющими факторами являются тепловые — тепловая диффузия (вследствие разности температур), поведение атомов и молекул в разных энергетических (фазовых) системах. С термодинамической дифференциацией связано распределение химических элементов в атмосфере, гидросфере, в литосфере, дегазации мантии и др.
8. Изотопная дифференциация — главными факторами являются: изотопное фракционирование (физико-химическое, биологическое), радиоактивный распад и изотопные превращения, сопровождаемые образованием вторичных элементов и изотопов; хорошо изучен распад и образование многообразных продуктов семейств урана, тория и актиния. Так при распаде изотопов радиоактивных элементов накапливаются гелий-4, свинец-206, 207, 208, туллий-205. Под действием космических нейтронов происходит образование углерода-14, бора-11 и других изотопов. В осадочных минеральных образованиях известно изотопное фракционирование для кислорода, серы, углерода и др. Изотопы В, С, S, U, Th, Pb и другие элементы и их соотношения в породах и минералах в настоящее время помогают решать многие палеогеографические и палеогеохимические вопросы осадочного породо- и рудообразования.
9. Диагенетическая дифференциация отражает многообразные вторичные преобразования седиментационного вещества и новообразования. Она сопровождается процессами сорбции, метасоматического замещения одних ионов другими, изменением pH—Eh среды, образованием конкреций и псевдоморфоз, перераспределением химических элементов и др. Под влиянием диагенетической дифференциации происходит изменение состава пород и минералов. Видную роль в диагенетической дифференциации играют Fe, Mn, Cr, V, U, Cu, Pb, Zn, Mo, Co и др. С диагенетической формой дифференциации вещества связана весьма существенная минералого-геохимическая эволюция состава горных пород.
Необходимо и, вероятно, целесообразно различать три другие формы геохимической дифференциации вещества в осадочной оболочке, связанные с условиями развития земной коры: 1) зонально-климатическую, 2) ландшафтно-геохимическую (элементарные геохимические ландшафты) и 3) циклическую (тектоническую).
Нет необходимости в детальном обосновании названных форм осадочной дифференциации, поскольку они логически вытекают из материала, который изложен в начале этой главы. Следует лишь сказать, что разработка этих вопросов в указанных аспектах заслуживает большого внимания.
Очевидно, что мы далеко не исчерпали характеристику главных геохимических и других форм осадочной дифференциации, но сказанного достаточно для выдвижения затронутых вопросов на передовые позиции в их дальнейшей более глубокой разработке. Бесспорно, что теория осадочной дифференциации нуждается в глубокой разработке с учетом достижений современной геологии, геофизики и геохимии.
В заключение особо хотим отметить ведущую роль в геохимической осадочной дифференциации следующих физических, химических и биологических форм движения материи, связанных: 1) с атомами-элементами и их свойствами (элементарные частицы, изотопы, ионы, молекулы); 2) с образованием кристаллических минералов и горных пород литогенного типа (коллоиды, кристаллы, минералы, горные породы); 3) с развитием и деятельностью живых организмов (большое разнообразие продуктов биосинтеза).
Рудные месторождения представляют собой наиболее дифференцированные формы отложений отдельных элементов (или их групп) и минералов. Наибольшее количество минералов образуется в результате гипергенеза и седиментогенеза; за ними (по количеству видов) следуют минералы пневматолитово-гидротермальных условий и последнее место занимают минералы высокотемпературных геохимических систем, т. е. количество минералов уменьшается с повышением энергии образования соответствующих кристаллических решеток. При высоких температурах образуются природные соединения относительного простого состава, а при более низких — более сложные группы с низкими энергиями кристаллических решеток.
Около 50 элементов в минералах являются основными. Из них такие, как Si, входят в состав более 500 минералов; Al, Fe, Mn, Ca, Mg, Na, К, Cu, Pb и As — каждый установлен более чем в 100 минералах. Большинство редких и рассеянных элементов встречено в составе 10—15 минералов и меньше, чем в 10. Наиболее характерны параге-нетические взаимоотношения и изоморфизм между элементами: Be—Al—Mg; Fe—Mn—V; Na—Ca—K(Ba); Ag—Hg—Au; Fe—Ni—Co; Zn—Cu—Pb(U); Mo—Sn—W и др.
Дифференциация важнейших элементов в цикле выветривание — седиментогенез группируется в основном следующим образом: Si, Al, К, Mg — в глинистых минералах, Fe, Mn — в окислах, С, N, H — в органических образованиях, Fe, S — в сульфидах, Ca, Mg, С, Sr — в карбонатах, Р, Ca, Fe — в фосфатах.
Моделирование процессов осадочной дифференциации в лабораторных условиях наряду с полевыми наблюдениями и палеогеографическим анализом фактов и событий откроет новые возможности в изучении закономерностей осадочной дифференциации и поможет сформулировать их на более глубокой основе.
Главная