ГлавнаяДиагенез осадков субаквального происхождения проявляется в изменении их состава, состояния и свойств. Эти изменения развиваются одновременно, но различны по своему характеру. Описание процессов диагенеза дано в ряде работ по петрографии осадочных пород. Впервые сравнительно подробное теоретическое объяснение многих явлений, происходящих при диагенезе глинистых осадков, дал Н.М. Страхов. Многие данные, приведенные в его работах, позволяют понять и природу строительных свойств осадочных пород.
Благодаря исследованиям Н.М. Страхова и других советских ученых в настоящее время известно, что физико-химическая обстановка в зоне диагенеза глинистых осадков весьма своеобразна и резко отличается от обстановки в слоях воды над осадком. Осадки, как правило, имеют высокую влажность (90— 100 % и более), что благоприятно для развития в них весьма обильного и разнообразного бактериального населения и активизации различных геохимических процессов. Характерной особенностью илов является также высокая концентрация в иловой воде ряда химических элементов, во много раз превышающая содержание их в наддонной воде. В десятки, а иногда и в сотни раз выше и окисляемость иловых вод.
Важными характеристиками физико-химической обстановки современных осадков (илов) являются окислительно-восстановительный потенциал Eh и показатель кислотно-щелочных условий pH. В самых верхних горизонтах осадков, на глубине до 20—25 см, среда окислительная (Eh от +300 до 0), ниже становится восстановительной (Eh до -500). При этом наиболее низкие значения Eh наблюдаются в верхних десятках сантиметров восстановительной зоны. Активная реакция pH осадков также значительно отличается от активной реакции вод бассейна: pH осадков всегда несколько выше pH наддонной воды. Воды морей и океанов обычно имеют щелочную реакцию, pH = 7,8/8,2.
Следовательно, свежеотложившиеся глинистые осадки попадают в обстановку новую, в физико-химическом отношении своеобразную, далекую от какого-либо нормального соотношения (равновесия) их с окружающей средой. Это и предполагает естественную неизбежность их диагенетических изменений.
Если фациальные и гидродинамические условия таковы, что происходит аккумуляция только грубообломочного материала (щебенистого, гравелистого, песчаного), отличающегося малой дисперсностью, малой удельной поверхностью, хорошей водопроницаемостью, физико-химические условия в толще осадка мало отличаются от наддонных условий бассейна, диагенетические процессы протекают здесь своеобразно. В результате главным образом волноприбойных явлений происходит переотложение, перемывание материала, его дробление и перетирание, то смыв, то вновь отложение и т. д. Гидродинамические процессы, вызывая колебательные движения в осадке, способствуют более плотной его укладке, т. е. формированию более плотного сложения. В этих условиях развиты главным образом механические процессы, мало сказывающиеся на изменении вещественного состава осадка. Такие диагенетические процессы протекают в слое осадков небольшой мощности, зона диагенеза здесь составляет единицы метров.
Таким образом, грубообломочный осадок, пройдя стадию диагенеза, оказывается мало петрографически измененным, и только в отдельных случаях, вследствие некоторого уменьшения скорости движения водных масс по мере удаления от зоны волноприбоя и ослабления гидродинамических явлений, обломки покрываются налетами, изменяется их окраска, на них осаждаются взвеси глинистого и коллоидного материала, происходят вмыв этого материала в осадок и иногда некоторая его цементация.
Наиболее существенные изменения при диагенезе претерпевают глинистые осадки (илы). Известно, что всякая дисперсная система при соответствующих условиях может изменить свое состояние в результате образования макро- и микроагрегатов. Так и глинистые осадки, попадая в зону диагенеза, образуют микроагрегаты в результате простого прилипания минеральных частиц друг к другу под влиянием сил взаимного притяжения, склеивания их коллоидными пленками или цементации осадка. С образованием микроагрегатов изменяются степень дисперсности осадка, его гранулометрический состав и соответственно влагоемкость, водопроницаемость и другие свойства.
Значительные изменения происходят также и в минеральном составе глинистых осадков. Новые данные показывают, что в составе современных и древних субаквальных осадков основная масса породообразующих глинистых минералов имеет терригенное (аллотигенное) происхождение. Однако эти минералы, попадая в новые физико-химические условия, не остаются неизменными, они могут разрушаться и переходить в новые. Одновременно образуются новые диагенетические минералы. Существенное значение в формировании минерального состава глинистых осадков имеет органическое вещество.
В период накопления глинистых осадков в водном бассейне свободная вода в них преобладает над связанной. Влажность этих осадков обычно равна 90—100 % и более. При такой влажности свежеотложившиеся глинистые осадки (илы) находятся в сильно гидратированном — текучем или скрытотекучем — состоянии. Вглубь от поверхности осадка влажность его заметно уменьшается (рис. IV-6).
Дегидратация глинистых осадков начинается обычно с момента их отложения и состоит в высвобождении сначала свободной, а затем физически связанной воды, в переходе ее в свободную, в непрерывном движении воды со все возрастающей скоростью из области повышенного уплотняющего давления на глубине к области пониженного уплотняющего давления у поверхности. Этому способствуют возникновение и развитие явлений синерезиса — сближения частиц под влиянием поверхностных сил при частичном вытеснении воды.Дегидратация осадка, естественно, вызывает изменение его физического состояния и свойств. В самых приповерхностных горизонтах морского или озерного дна илы, имея очень высокую влажность, как правило, находятся в явнотекучем состоянии. С глубиной, по мере уменьшения естественной влажности, они становятся скрытотекучимн пли скрыто-вязкопластичными.
На рис. IV-7 видно, что на глубине 4 м естественная влажность ила уменьшилась примерно в 3 раза, в среднем до 80 %. При влажности 75—80 % и менее илы, как правило, не проявляют явнотекучего состояния, хотя естественная влажность их по-прежнему может быть и выше предела текучести. В результате потерн илами значительного количества свободной воды при уплотнении структурные связи их упрочняются и придают им некоторую прочность и устойчивость. При нарушении естественного сложения, при механическом разрушении структурных связей илы переходят в текучее состояние без изменения влажности. Изменение состояния плов с глубиной устанавливается и по другим показателям, например по изменению пористости. В самых приповерхностных горизонтах пористость ила достигает 85%, а с глубины 4 м она, как правило, меньше 70%. Соответственно изменяется и плотность ила от 1,2 до 1,5 г/см3 (рис. IV-7).
Таким образом, при диагенетических изменениях илы теряют значительное количество влаги и из явнотекучего состояния переходят в скрытотекучее или скрыто-вязкопластичное, уменьшается як пористость, возникают и. постепенно упрочняются структурные связи. Следует заметить, что значения показателей, характеризующих состояние илов (естественная влажность, пористость, коэффициент пористости, плотность), весьма своеобразны и существенно отличаются от значений, характеризующих состояние глинистых пород, претерпевших ту или иную степень литификации. Следовательно, эти значения могут служить мерой исходного состояния глинистых осадков, яри котором начинается их диагенез.
Одновременно с изменением состояния иkов изменяются и свойства, что подтверждается результатами изучения их сжимаемости (рис. IV-8). До глубины 2,0—2,5 м илы имеют начальный коэффициент пористости >3,0, достигающий на глубине 0,35 м — 6,27. При приложении первой незначительной нагрузки 0,025—0,05 МПа они дают резкую и значительную осадку. Илы с глубины 3,0—5,0 м имеют начальный коэффициент пористости <3,0 и сжимаются меньше, а с глубины 7,5 м при нагрузках до 0,25 МПа слабосжимаемы, начальный коэффициент пористости их меньше 1,0. Следовательно, в зоне диагенеза современных глинистых осадков с глубиной уменьшается их пористость и соответственно увеличиваются плотность и сопротивляемость действию нагрузки. Поэтому сжимаемость уменьшается.
Следует заметить, что диагенетические изменения глинистого осадка происходят в толще, измеряемой единицами, реже 10—15 м, а не десятками метров, как считают некоторые исследователи. На глубине 8—10 м (не более 15—20 м) в таких отложениях, как правило, устанавливается такой влажностный и вообще физико-химический режим, при котором господствующее значение приобретают физико-химические и физико-механические процессы, а биохимические становятся подчиненными. С этой глубины заметно снижается темп изменений состава и физического состояния отложений и они приобретают облик, типичный для породы. В песчаных и песчано-галечных отложениях мощность зоны диагенеза меньше, чем в глинистых, и не превышает 3—5 м.