Химический состав осадочных пород

ГЛАВА 1. СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Осадочные породы – породы, существующие в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образующиеся в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трех процессов одновременно.

Химический состав осадочных пород

Химический состав осадочных пород весьма сложный, что отражает разнообразие осадочных пород. Он рассматривается по группам пород. Но можно попытаться представить средний состав всех осадочных пород, в который внесли бы свой вклад все осадочные породы пропорционально их Кларку, или среднему содержанию в осадочной оболочке Земли. Для запоминания средний химический состав осадочных пород лучше сравнивать с таковым магматических пород.

Средние химические составы магматических и осадочных пород почти полностью тождественны друг другу, особенно по главным, петрофильным (породообразующим) окислам: кремнезема 59,14 и 58,53% — по Ф. Кларку, или 61,69 и 62,20% — по У. Твенхофелу, К. Лейсу и У. Миду. Осадочные породы лишь на 0,5% менее кремнекислые, а по другим данным примерно на ту же величину более кислые, чем изверженные. В целом этот параметр свидетельствует о среднем (андезитовом) составе всех магматических и осадочных пород.

Глинозема в магматических породах около 15,4%, а в осадочных примерно 14%. Незначительное отличие — уменьшение на 1,0-1,5% — в осадочных породах скорее всего кажущееся, благодаря особенностям процентного (относительного) способа выражения содержания: к общему балансу состава прибавились новые компоненты осадочных пород, которые практически отсутствуют в магматических породах Н2О, СО2 и др.), и тогда содержания всех других компонентов уменьшаются на соответствующую долю этой прибавки, пропорциональную их содержанию в магматических породах. Поэтому и "уменьшается" содержание кремнезема, глинозема, соединений железа и других компонентов. Иначе пришлось бы допустить, что глинозем накапливается в гидросфере, т.е. рассеивается в осадочном процессе, что явно не свойственно ему и другим труднорастворимым компонентам.

Суммарное содержание окислов железа в магматических породах около 6,5%, а в осадочных около 5,5%, т.е. весьма близко, а уменьшение на             1 % также в основном кажущееся, хотя отчасти, возможно, действительно часть железа рассеивается в биосфере и гидросфере. Большие и показательные отличия видны в соотношениях трехвалентного (окисного) и двухвалентного (закисного) железа: в магматических породах преобладает второе, а в осадочных — окисное. Это четко указывает на преобладание окислительных условий и господство кислорода в атмосфере и гидросфере, по крайней мере с протерозоя. Однако и закисного железа в осадочных породах много, и это также есть в значительной мере результат влияния жизни: растения производят кислород, а отмершее органическое вещество восстанавливает большую часть трехвалентного железа в осадках до двухвалентного.

Окислов щелочноземельных элементов в магматических породах 8,5%, а в осадочных около 8 %, т.е. снова те же почти тождественные соотношения, свидетельствующие о круговороте одного и того же вещества Земли. Однако раздельное рассмотрение СаО и MgO снова показывает экзогенное, в основном биогенное разделение этих соединений: если в магматических породах преобладание СаО над MgO незначительное, то в осадочных породах оно более чем двукратное. Такое фракционирование химически сходных элементов не могло произойти чисто химическими способами. Накопление СаО в осадочных породах в значительно больших количествах по сравнению с магматическими породами (5,44% и 4,98 %) — результат связывания его в скелетах организмов. В противоположность биогенному СаО MgO не накапливается в телах организмов и их скелете в заметных количествах и далеко не весь освобожденный из силикатов осаждается химически. Значительная его часть рассеивается, пополняя соленость океана. Из него он осаждается только в немногих, аридных зонах в виде доломита и сульфатно-хлоридных солей.

Следующая пара элементов — щелочные окислы — составляет около 6,5-7% в магматических породах и только около 4% — в осадочных породах. Это явное рассеяние легко объяснимо с позиций седиментационных процессов: как легко растворимые они не осаждаются, а постоянно пополняют запасы хлоридных и сульфатных солей океана. Раздельное рассмотрение щелочей показывает резкое различие   в седиментогенезе этих химических тождественных элементов.                        

В магматических породах их примерно поровну, натрия даже несколько больше (3,84 и 3,13%), а в осадочных породах соотношение резко меняется: калия почти в три раза больше, чем натрия (2,81% и 1,10%). И снова как бы антиэнтропийное поведение калия объясняется включением биогенного процесса осаждения. Но фиксация калия происходит и абиогенным процессом — глинистыми минералами, именно гидрослюдами (гидромусковитами, глауконитами). Натрий же в основном остается в гидросфере.

Принципиальным отличием химического состава осадочных пород от магматических является значительное (около 10%) содержание летучих компонентов, главным образом воды и СО2, практически не содержащихся в магматических породах. Они поступают в осадочные породы главным образом из атмосферы и гидросферы через биогенные минералы и органическое вещество, а также через гидратацию глинистых, окисных, сульфатных и других минералов. Это прибавка к тому веществу, которое получается в результате выветривания магматических пород, идущего не только с соблюдением закона сохранения вещества, но и с прибавлением его — примерно на 7%. Хотя количественно это только 1/10 часть трансформирующегося вещества, но его химическая и геохимическая роль глобальна, и оно участвует в судьбе и круговороте практически всего остального вещества горных пород. Оно подчеркивает специфику экзогенного породообразования — решающую энергетическую и материальную роль воды, живого и органического вещества вообще, без которого нельзя понять осадочное породообразование и которое резко отличает его от эндогенного.

Таким образом, сравнительное рассмотрение химического состава осадочных и магматических пород позволяет утверждать, что на основании большого их тождества нельзя сделать вывод о том, что осадочные породы являются в основном новообразованными, а не вторичными по отношению к магматическим. Но нельзя сделать и противоположный вывод: что магматические породы первичны. И те и другие на определенном витке круговорота вещества Земли являются первичными и вторичными по отношению друг к другу. Второй вывод заключается в том, что в химическом составе, в его деталях все же есть черты, отражающие специфику хемогенных превращений в осадочном процессе: гидратация, карбонатизация, окисление и т.д., а при еще более пристальном внимании можно заметить восстановление и некоторые другие химические процессы.

Если рассматривать химический состав осадочных пород на уровне элементов (таблица 1.), то легко заметить, что они наполовину (49,95% по весу (массе) и 58,50% по числу атомов) состоят из кислорода, что позволяет в известном смысле назвать их специфической газовой, кислородной оболочкой Земли.

Таблица 1

Средний химический состав осадочных пород по элементам (%)                         (по Л.В.Пустовалову, 1940)

На втором месте — кремний (27,55% по массе), на третьем — алюминий (около 7%), далее — железо (около 4%), кальций (окаю 4%), калий (2,33%), углерод (2,01%) и магний (1,52%).

Интересно отметить, что натрия по массе всего 0,82%, а водорода, стоящего десятым в списке, — 0,48% по массе, но 9% по объему, точнее по числу атомов.