Катагенеза

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето

Катагенезата (на гръцки: κατα- – представка, означаваща движение надолу и γένεσις – развитие) е етап от литогенезата, представляващ съвкупност от процеси на дълбоки химични и физикохимични трансформации на седиментните скали в периода след възникването им от утайки в резултат на диагенезата, до началото на метаморфизма им. Терминът е предложен през 1922 г. от руския академик Александър Ферсман.[1]

Значение на термина[редактиране | редактиране на кода]

В западната литература понятието „катагенеза“ често се заменя с „късна диагенеза“ или с „епигенеза“.[1] Терминът се тълкува двусмислено от различните учени. Някои го приемат като етап между диагенезата и метагенезата, която метагенеза понякога се разбира като метаморфизъм. Според академик Николай Страхов катагенезата следва след диагенезата, но предшества протометаморфизма, който обединява с катагенезата в по-широкия стадий метагенеза.[2]

Протичане на катагенезата[редактиране | редактиране на кода]

Катагенезата протича при повишени температура и налягане, в сравнение с тези на земната повърхност, но не много високи. Те възникват дълбоко в земните недра след процесите на диагенеза.[2]

Факторите, които влияят върху скоростта на катагенезата са многобройни – дълбочина на залягане, скорост на потъване на материалите, температура на пластовете, възраст на скалите, състав и структура на отделните компоненти, взаимодействието между тях и т.н.[3] Условията, при които протича катагенезата, са: температура от 30 – 50 до 200 °С, литостатично налягане от 10 – 20 до 150 – 200 МРа и повече. Дълбочината на зоната на действието ѝ може да варира от 100 – 200 м до 8 – 10 км, а понякога дори и до 20 км, както е при Каспийската депресия. Като време това е най-дългият от всички етапи на литогенезата – от десетки милиони до 2,5 милиарда години, каквито са например залежите около град Калгурли в Западна Австралия.[2]

Условията, при които се извършва катагенезата, и съответното преминаване към физикохимични процеси се изменят много бавно, но окончателните промени в скалите са значителни. Текстурата и редица други първични, все още присъщи на утайките характеристики, не изчезват. Минералното веществото бавно се променя структурно и към края аморфната структура напълно изчезва.[2]

Нестабилни в новите термобарични условия, кристалните структури постепенно се стабилизират. Силикатите поетапно се заместват с филосиликати (слоести силикати), в алкална среда фелдшпатът се превръща в хидромусковит или парагонит и след това в монтморилонит или други смектити (глинести минерали със слоеста структура), а в кисела – в каолинит. Мусковитът в алкална среда преминава в диоктаедричен хидромусковит, а в кисела – в каолинит. В алкална среда биотитът се превръща в хидробиотит, вермикулит, глауконит или монтморилонит, а в кисела среда – в хлорит и каолинит. Хлоритите се развиват в пироксени и амфиболи. Вулканичното стъкло се превръща в смектити, хлорити, зеолити. Поради прекристализацията размерът на кристалите в много от скалите се увеличава. Органичната материя в тях претърпява най-сериозни промени, в резултат на което се образуват всички видове кафяви каменни въглища и частично антрацит, както и природен газ и нефт.[2]

Етапи на развитие[редактиране | редактиране на кода]

Всеки от факторите, влияещи върху протичането на катагенезата може да служи като показател за създаване на скáла на катагенетичните промени. Но, като определящи фактори, са избрани температурата и налягането, които зависят от дълбочината до която е потънал даден пласт.[3]

Прецизирането на температурата се извършва за всеки конкретен район поотделно, тъй като геотемпературният градиент и пластовата температура са в пряка зависимост от топлопроводимостта на различните скали, от тектонското развитие на басейна, от динамиката на подземните води, от геохимичната обстановка и т.н. Налягането действа непрекъснато и едновременно с температурата. Неговата роля е много по-голяма за минералната част на седиментите – за тяхната плътност, порьозност и други физични свойства, отколкото за преобразуването на органичната част в тях. Все пак повишаването на налягането води до забавяне процесите на преобразуване на органичните вещества в скалите.[3]

Степента на катагенетично превръщане обикновено се определя чрез два метода – оптичен и геохимичен. От оптичните методи, най-широко е разпространена скáлата, в която се измерва отражателната способност на витринита Ro (%). Тя отразява степента на катагенеза в най-широк температурен диапазон – от 30 °С до 250 – 300 °С.[3]

Етапи според минерализацията[редактиране | редактиране на кода]

Според степента на минерализация на материалите катагенезата протиче в два етапа – ранен (начален) и късен (дълбок).

В началния етап (приблизително от ПК1 до MK1-2), под натоварването на утаечните скални слоеве в дълбочина до 5 – 10 км, преобладават физически и механични процеси. Скалите се уплътняват, като общата порьозност намалява от около 40 на 15% и част от водата се извлича. Протичат разнообразни химични и минералогични процеси – хидролиза на силикатите и органичните вещества, разтварят се кварцът и силикатите. Става синтез и преобразуване на минерали, образуват се конкреции, пясъчниците и варовиците се циментират. Глините се уплътняват при запазване на пластичността си. Започва образуването на въглища и изкопаеми горива, генериране на нефт и газ.[2]

В късния етап уплътняването на скалите продължава, докато порите почти напълно изчезнат. Текстурите на скалите са запазени и структурите забележимо се променят, засилва се образуването на минерали и циментирането на скалите. Глините се преобразуват в аргилит, но все още с детритна структура, което означава отсъствие на прекристализация. Въпреки това, глиненият цимент на пясъчниците вече е прекристализиран. Варовиците се превръщат в мрамори, опалите – в халцедон, изкопаемите въглища продължават трансформацията си в по-висококачествени. Освен горими материали, се образуват определени руди от желязо, магнезий и полиметали, както и някои декоративни скали.[2]

Стадии в зависимост от промените в органичните вещества[редактиране | редактиране на кода]

По-детайлно разделяне на процесите се извършва в зависимост от промените в органичните вещества – преминаването на торфа в лигнитни, след това в черни въглища и накрая в антрацит. По този показател руската скáла включва три големи етапа, разделени общо на 12 подстадия. Трите големи етапа са протокатагенеза (ПК), мезокатагенеза (МК) и апокатагенеза (АК). Подстадиите се маркират с цифра, добавена към основния стадий, например ПК1 (протокатагенеза, първи подстадий), МК3 (мезокатагенеза, трети подстадий) и т.н.[2]

Протокатагенеза (ПК)[редактиране | редактиране на кода]

Този стадий има 3 подстадия – ПК1, ПК2 и ПК3. Някои западни учени приемат за начална граница на катагенезата Ro =0,5 или температура 50 °С.[3] Това е стадият на образуване на кафяви въглища.[4] Пластовете от органична материя потъват до дълбочина 1,5 км при бавно повишаване на температурата и налягането. Процесите отнемат от няколко милиона до десетки милиони години и протичат при сравнително ниски температури и налягане – от 30 до 80 – 90 °С и до 15 – 30 МРа. За долна граница на ПК е приета отражателна способност на витринита 0,5%.[5]

В ранните етапи органичното вещество се характеризира с намаляване количеството на кислорода и съответно нарастване това на въглерода. Намаляването на кислорода се дължи на практически пълното отсъствие на карбоксилни групи (–СООН). Освен това се образуват и някои газове – СО2, СН4, Н2, което е особено характерно за анаеробните условия, при които се извършва катагенезата.[3][5]

Процесът на по-нататъшна физикохимична трансформация на органиката се съпровожда главно от образуването на газообразни въглеводороди поради елиминирането на периферните групи от първоначалната макромолекула на органичната материя. Едновременно с това нискомолекулярните въглеродни съединениа се разделят, а молекулите на органичните вещества се окрупняват, т.е. извършва се полимеризация на основната матрица на керогена. Протича интензивно метанообразуване, завършва превръщането на хуминовите киселини в хумусни неутрални вещества и хумификацията бързо се ускорява. При подстадиите ПK2 и ПK3 свойствата на въглищата коренно се променят – те придобиват черен цвят, блясък, висока твърдост и се образува витринитова група от микрокомпоненти.[3][5]

Мезокатагенеза (МК)[редактиране | редактиране на кода]

Това е средният стадий на катагенезата, при който се достига до образуване на черни каменни въглища и е основната фаза на образуването на нефт.[4] Органичните остатъци потъват до дълбочина от 3 – 4 км, а температурата се повиши до 150 °C. Образуват се битумни вещества, които съставляват по-голямата част от микронефта.[6] Разкъсват се множество атомни връзки от най-различен тип, съединения с дълга въглеродна верига се преобразуват в такива с по-къса, а процесът е известен като крекинг. Етапът се разделя на 5 подетапа – МК1 (Ro = 0,50 – 0,65), МК2 (Ro= 0,65 – 0,85), МК3 (Ro = 0,85 – 1,15), МК4 (Ro = 1,15 – 1,55), МК5 (Ro = 1,55 – 2,00).[3]

Под въздействието на температурата и в присъствието на различни минерали, високомолекулните биоорганични съединения, които са останали непроменени при диагенезата, се разпадат на няколко фрагмента с по-елементарна структура. Всеки от тях се стреми към стабилност и присъединява водород или прегрупира атомите си. На етапите МК1 – МК3 се получава скок в нарастването на количеството на екстрахираните органични вещества и въглеводороди. Тази зона е известна като „главна зона на нефтообразуване“.[3] При достигнати температури 60 – 180 °C се формира по-голямата част от въглеводородите от нефтената серия. Настъпва вътремолекулно пренареждане на основната матрица на керогена, в резултат на което се отделя широка гама от въглеводороди.[4]

При следващите фази (MK4 – MK5) се генерира главно газ. Това е времето предимно на метанообразуване и втората основна зона за газообразуване.[4] Появяват се леките въглеводороди, които изграждат бензиновата и керосиновата фракции. При всяко нарастване на температурата с 10 °C скоростта на образуване на въглеводороди се удвоява. Това е пътят, по който се образуват нискомолекулните нефтени въглеводороди.[3]

Апокатагенеза (АК)[редактиране | редактиране на кода]

Това е последният стадий на катагенезата и основната фаза на газообразуване.[3] Въглищните пластове, образувани през този етап са антрацитни.[4] Стадият се дели на три подетапа – АК1, АК2, АК3. При навлизане в първия етап на апокатагенезата се генерира сух газ. След излизане от етап АК3 седиментите вече напълно са реализирали своя нефтен и газов потенциал. Органичните отпадъци потъват на дълбочина над 4,5 км и температурата се повишава до 180 – 300 °С. В този случай органичната материя губи потенциала си за генериране на нефт, но продължава образуването на метан. След АК4 останалите компоненти на органичните вещества са подложени на графитизация.[3] Към края се отделят главно киселинни газове, а петролът се разлага.[4]

Източници[редактиране | редактиране на кода]