Доломит (также известный как доломитовая порода , доломит или доломитовая порода ) представляет собой осадочную карбонатную породу , которая содержит высокий процент минерального доломита CaMg (CO 3 ) 2 . Он встречается широко, часто в сочетании с известняками и эвапоритами , хотя он менее распространен, чем известняк, и редок в пластах кайнозойских пород (возраст слоев менее 66 миллионов лет). Первым геологом, отличившим доломит от известняка, был Деодат Грате де Доломье; французский минералог и геолог, в честь которого он назван. В конце 18 века он признал и описал отличительные характеристики доломита, отличая его от известняка.
Большая часть доломита образовалась в результате замены магния известняка или известкового ила до литификации . [1] Геологический процесс преобразования кальцита в доломит известен как доломитизация , а любой промежуточный продукт известен как доломитовый известняк . [2] [3] «Проблема доломита» относится к обширным мировым отложениям доломита в прошлой геологической летописи в отличие от ограниченных количеств доломита, образовавшихся в наше время. [4] [5] Недавние исследования показали, что сульфатредуцирующие бактерии, живущие в бескислородных условиях, осаждают доломит, что указывает на то, что некоторые прошлые отложения доломита могут быть связаны с микробной активностью. [6] [7]
Доломит устойчив к эрозии и может содержать слоистые слои или быть неслоистыми. Он менее растворим, чем известняк, в слабокислых грунтовых водах , но со временем все же может приобретать признаки растворения ( карст ). Доломитовая порода может выступать в качестве резервуара нефти и природного газа.
Доломит получил свое название от французского минералога XVIII века Деода Грате де Доломье (1750–1801), который одним из первых описал этот минерал. [8] [9]
Термин «доломит» относится как к минералу карбоната кальция и магния, так и к осадочной породе, образованной преимущественно из этого минерала. Термин долостон был введен в 1948 году, чтобы избежать путаницы между ними. Однако использование термина « долостон» является спорным, поскольку название «доломит» впервые было применено к породе в конце 18 века и, таким образом, имеет техническое преимущество. Использование термина «долостон» не рекомендовано «Глоссарием геологии», опубликованным Американским геологическим институтом . [10]
В старых публикациях Геологической службы США доломит назывался магнезиальным известняком , этот термин теперь используется для доломитов с дефицитом магния или известняков с высоким содержанием магния.
Доломитовая порода определяется как осадочная карбонатная порода , состоящая более чем на 50% из минерального доломита . Доломит характеризуется почти идеальным стехиометрическим соотношением магния и кальция 1:1. Он отличается от известняка с высоким содержанием магния тем, что магний и кальций образуют упорядоченные слои внутри отдельных минеральных зерен доломита, а не располагаются случайным образом, как в зернах кальцита с высоким содержанием магния. [11] В природном доломите магний обычно составляет от 44 до 50 процентов от общего количества магния плюс кальций, что указывает на некоторое замещение кальция в слоях магния. Небольшое количество двухвалентного железа обычно заменяет магний, особенно в более древних доломитах. [12] Карбонатные породы, как правило, почти полностью состоят из кальцита или почти полностью из доломита, при этом промежуточные составы встречаются довольно редко. [13]
Обнажения доломита распознаются в полевых условиях по его мягкости (минеральный доломит имеет твердость по шкале Мооса 4 или меньше, что значительно ниже обычных силикатных минералов) и по тому, что доломит слабо пузырится, когда на него капают разбавленной соляной кислотой . Это отличает доломит от известняка, который также мягок, но бурно реагирует с разбавленной соляной кислотой. Доломит обычно выветривается и приобретает характерный тусклый желто-коричневый цвет из-за присутствия двухвалентного железа. Он высвобождается и окисляется по мере выветривания доломита. [14] Доломит обычно имеет зернистый вид и по текстуре напоминает зерна сахара . [15]
Под микроскопом на тонких срезах доломита обычно видны отдельные зерна правильной ромбовидной формы со значительным поровым пространством. В результате подземный доломит обычно более пористый, чем подземный известняк, и составляет 80% нефтяных резервуаров карбонатных пород . [16] Эта текстура контрастирует с известняком, который обычно представляет собой смесь зерен, микрита (очень мелкозернистый карбонатный ил) и стратового цемента. Оптические свойства кальцита и минерала доломита трудно различить, но кальцит почти никогда не кристаллизуется в виде правильных ромбов, причем кальцит окрашивается ализарином Ред С , а зерна доломита - нет. [17] Доломитовая порода, состоящая из хорошо сформированных зерен с плоской поверхностью, описывается как плоский или идиотопный доломит, а доломит, состоящий из плохо сформированных зерен с неровными поверхностями, описывается как неплоский или ксенотопный доломит. [15] Последний, вероятно, образуется в результате перекристаллизации существующего доломита при повышенной температуре (от 50 до 100 ° C (от 122 до 212 ° F)). [17]
Текстура доломита часто показывает, что он вторичен и образован в результате замещения кальция магнием в известняке. Сохранность исходной текстуры известняка может варьироваться от почти идеально сохранившейся до полностью разрушенной. [18] Под микроскопом иногда можно увидеть ромбы доломита, замещающие оолиты или скелетные частицы исходного известняка. [19] Иногда происходит выборочное замещение окаменелостей, при этом окаменелости остаются в основном кальцитом, а окружающая матрица состоит из зерен доломита. Иногда по контуру окаменелости можно увидеть ромбы доломита. Однако некоторые доломиты не имеют текстурных признаков того, что они образовались в результате замещения известняка. [17]
Доломиты широко распространены в своих проявлениях, хотя и не так распространены, как известняки. [20] Обычно он встречается в сочетании с пластами известняка или эвапорита и часто прослоен известняком. [21] Не существует постоянной тенденции в его численности с возрастом, но большая часть доломита, по-видимому, образовалась на высоких уровнях моря. Небольшое количество доломита встречается в кайнозойских отложениях (возрастом менее 65 миллионов лет), которые были временем в целом низкого уровня моря. [22] Периоды высокого уровня моря также, как правило, являются периодами парникового эффекта на Земле , и вполне возможно, что парниковые условия являются спусковым крючком для образования доломита. [23]
Многие доломиты имеют четкие текстурные признаки того, что они являются вторичными доломитами, образовавшимися в результате замещения известняка. Однако, хотя было проведено много исследований для понимания этого процесса доломитизации , этот процесс остается плохо изученным. Встречаются также мелкозернистые доломиты, не имеющие текстурных признаков того, что они образовались в результате замещения, и неясно, образовались ли они в результате замещения известняка, не оставившего никаких текстурных следов, или являются настоящими первичными доломитами. Проблема доломита была впервые выявлена более двух столетий назад, но до сих пор не решена полностью. [21]
Реакция доломитизации
термодинамически выгоден, его свободная энергия Гиббса составляет около -2,2 ккал/моль. Теоретически обычная морская вода содержит достаточно растворенного магния, чтобы вызвать доломитизацию. Однако из-за очень медленной скорости диффузии ионов в твердых минеральных зернах при обычных температурах этот процесс может протекать только при одновременном растворении кальцита и кристаллизации доломита. Это, в свою очередь, требует промывки больших объемов магнийсодержащих флюидов через поровое пространство доломитизированного известняка. [24] Для доломитизации было предложено несколько процессов.
Гиперсоленая модель (также известная как модель испарительного рефлюкса [25] ) основана на наблюдении, что доломит очень часто встречается в сочетании с известняком и эвапоритами , причем известняк часто прослоен доломитом. Согласно этой модели, доломитизация происходит в закрытом бассейне, где морская вода подвержена высоким темпам испарения. Это приводит к осаждению гипса и арагонита , повышая соотношение магния и кальция в оставшемся рассоле. Рассол также плотный, поэтому он погружается в поровое пространство нижележащего известняка ( фильтрационный рефлюкс ), вымывая существующую поровую жидкость и вызывая доломитизацию. Пермский бассейн Северной Америки был приведен в качестве примера среды, в которой происходил этот процесс. [25] Вариант этой модели был предложен для среды сабха , в которой рассол всасывается в доломитизированный известняк за счет испарения капиллярных жидкостей, процесс, называемый испарительной перекачкой . [25]
Другая модель - это зона смешения или модель Дорага, в которой метеорная вода смешивается с морской водой, уже присутствующей в поровом пространстве, увеличивая химическую активность магния по сравнению с кальцием и вызывая доломитизацию. Именно этому процессу приписывают образование плейстоценовых доломитовых рифов на Ямайке . Однако эта модель подверглась резкой критике [26] , а в одной обзорной статье 2004 года она была прямо названа «мифом». [27] В статье 2021 года утверждалось, что зона смешивания служит местом интенсивной микробной активности, которая способствует доломитизации. [28]
Третья модель постулирует, что обычная морская вода является доломитизирующей жидкостью, и необходимые большие объемы промываются через доломитизирующийся известняк посредством приливной откачки. Образование доломита в Шугарлоф-Ки может быть примером этого процесса. Похожий процесс может происходить во время подъема уровня моря, когда большие объемы воды проходят через известняковые платформенные породы. [29]
Независимо от механизма доломитизации, тенденция карбонатных пород состоять либо почти полностью из кальцита, либо почти полностью из доломита, предполагает, что, как только процесс начался, он быстро завершается. [30] Этот процесс, вероятно, происходит на небольшой глубине захоронения, менее 100 метров (330 футов), где есть неисчерпаемые запасы богатой магнием морской воды, а исходный известняк, скорее всего, будет пористым. С другой стороны, доломитизация может протекать быстро при более высоких температурах, характеризующих более глубокое захоронение, если существует механизм вымывания магнийсодержащих флюидов через пласты. [31]
Минеральный доломит имеет объем на 12–13% меньший, чем кальцит, на катион щелочного металла. Таким образом, доломитизация, вероятно, увеличивает пористость и способствует сахаристой текстуре доломита. [16]
Доломит перенасыщен в обычной морской воде более чем в десять раз, но осаждение доломита в океанах не наблюдается. Точно так же геологам не удалось выделить доломит из морской воды при нормальных температурах и давлениях в лабораторных экспериментах. Вероятно , это связано с очень высокой энергией активации зарождения кристаллов доломита. [32]
Ион магния является относительно небольшим ионом и при растворении в воде приобретает прочно связанную гидратную оболочку . Другими словами, ион магния окружен группой молекул воды, которые сильно притягиваются к его положительному заряду. Кальций является более крупным ионом, и это снижает прочность связывания его гидратной оболочки, поэтому иону кальция гораздо легче, чем иону магния, потерять свою гидратную оболочку и связаться с растущим кристаллом. Кроме того, труднее зародить затравочный кристалл упорядоченного доломита, чем неупорядоченного высокомагниевого кальцита. В результате попытки осаждения доломита из морской воды вместо этого приводят к образованию кальцита с высоким содержанием магния. Это вещество, имеющее избыток кальция над магнием и лишенное кальциево-магниевой упорядоченности, иногда называют протодоломитом . [32] Повышение температуры облегчает потерю гидратной оболочки магния, а доломит может осаждаться из морской воды при температуре выше 60 ° C (140 ° F). [33] Протодоломит также быстро превращается в доломит при температуре 250 ° C (482 ° F) или выше. [34] Высокие температуры, необходимые для образования доломита, помогают объяснить редкость кайнозойских доломитов, поскольку температура кайнозойской морской воды редко превышала 40 ° C. [35]
Не исключено, что микроорганизмы способны выделять первичный доломит. [7] Впервые это было продемонстрировано в образцах, собранных в Лагоа Вермелья , Бразилия [6] в сочетании с сульфатредуцирующими бактериями ( Desulfovibrio ), что привело к гипотезе о том, что сульфат-ион ингибирует зародышеобразование доломита. Более поздние лабораторные эксперименты показали, что бактерии могут осаждать доломит независимо от концентрации сульфата. [36] Со временем к разногласиям относительно их роли в модуляции и образовании полисахаридов , [37] марганца [38] [39] и цинка [40] в поровой воде добавились и другие пути взаимодействия между микробной активностью и образованием доломита. Между тем, другие исследователи придерживаются противоположной точки зрения, что микроорганизмы выделяют только высокомагнезиальный кальцит, но оставляют открытым вопрос, может ли это привести к осаждению доломита. [41]
Иногда доломитизацию можно обратить вспять, и пласт доломита снова превращается в известняк. Об этом свидетельствует текстура псевдоморфоз минерала доломита, замещенного кальцитом. Дедоломитизированный известняк обычно связан с гипсом или окисленным пиритом , и считается, что дедоломитизация происходит на очень малых глубинах за счет инфильтрации поверхностных вод с очень высоким соотношением кальция и магния. [42]
Доломит используется во многом для тех же целей, что и известняк, в том числе в качестве строительного заполнителя ; в сельском хозяйстве для нейтрализации кислотности почвы и снабжения кальцием и магнием; как источник углекислого газа ; как размерный камень ; в качестве наполнителя удобрений и других продуктов; как флюс в металлургии ; и в производстве стекла . Он не может заменить известняк в химических процессах, требующих известняка с высоким содержанием кальция, таких как производство карбоната натрия . Доломит используется для производства магниевых химикатов, таких как английская соль , и в качестве добавки магния. [43] Он также используется при производстве огнеупорных материалов . [44]
Как и в случае с известняковыми пещерами , естественные пещеры и растворные трубки обычно образуются в доломитовой породе в результате растворения слабой углекислотой. [45] [46] Пещеры также могут, реже, образовываться в результате растворения горных пород серной кислотой . [47] Образование карбоната кальция (вторичные отложения) в виде сталактитов , сталагмитов , текучего камня и т. д. также может образовываться в пещерах внутри доломитовой породы. «Доломит — распространенный тип горной породы, но относительно редкий минерал в образованиях». [45] И «Международный спелеологический союз» (UIS), и американское «Национальное спелеологическое общество» (NSS) широко используют в своих публикациях термины «доломит» или «доломитовая порода», когда речь идет о естественной коренной породе, содержащей высокий процент CaMg(CO 3 ) 2 , в котором образовались естественные пещеры или трубки раствора. [45] [48]
И кальций, и магний переходят в раствор при растворении доломитовой породы. Последовательность осадков образований следующая: кальцит , магнезиальный кальцит, арагонит , хунтит и гидромагнезит . [45] [48] Следовательно, наиболее распространенным образованием (вторичным отложением) в пещерах внутри доломитового карста является карбонат кальция в наиболее стабильной полиморфной форме кальцита. К типам образований, в состав которых входит доломит, относятся: покрытия, корки, лунное молоко , текучий камень , кораллоиды, порошок, шпат и плоты. [45] Хотя есть сообщения о доломитовых образованиях, которые, как известно, существуют в ряде пещер по всему миру, они обычно находятся в относительно небольших количествах и образуются в очень мелкозернистых отложениях. [45] [48]