Доломит (также известный как доломитовая порода , долостоун или доломитовая порода ) — осадочная карбонатная порода , содержащая высокий процент минерала доломита , CaMg(CO3 ) 2 . Он широко распространен, часто в сочетании с известняком и эвапоритами , хотя он менее распространен, чем известняк, и редок в кайнозойских пластах (пластах возрастом менее 66 миллионов лет). Одним из первых геологов, отличивших доломит от известняка, был Деода Грате де Доломье; французский минералог и геолог, в честь которого он и назван. Он распознал и описал отличительные характеристики доломита в конце 18 века, отличив его от известняка.
Большая часть доломита образовалась в результате замены известняка или известкового шлама магнием 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 отложениям доломита по всему миру в геологической летописи прошлого в отличие от ограниченного количества доломита, образованного в настоящее 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 вызваны микробной активностью. [6] [7]
Доломит устойчив к эрозии и может содержать слоистое строение или быть неслоистым. Он менее растворим, чем известняк в слабокислых грунтовых водах , но со временем может образовывать 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 « долостоун» был введен в 1948 году, чтобы избежать путаницы между ними. Однако использование термина «долостоун» является спорным, поскольку название «доломит» было впервые применено к породе в конце 18 века и, таким образом, имеет технический приоритет. Использование термина « долостоун» не было рекомендовано Глоссарием по геологии, опубликованным Американским геологическим институтом . [10]
В старых публикациях Геологической службы США доломит назывался магнезиальным известняком , этот термин теперь зарезервирован 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 к кальцию 1:1. Он отличается от известняка с высоким содержанием магния тем, что магний и кальций образуют упорядоченные слои внутри отдельных зерен минерала доломита, а не располагаются хаотично, 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] Карбонатная порода, как правило, состоит либо почти полностью из кальцита, либо почти полностью из доломита, причем промежуточные составы встречаются довольно редко. [13]
Выходы доломита распознаются в полевых условиях по их мягкости (минеральный доломит имеет твердость по Моосу 4 или меньше, что значительно ниже обычных силикатных минералов) и по тому, что доломит слабо пузырится, когда на него капают каплю разбавленной соляной кислоты . Это отличает доломит от известняка, который также мягок, но бурно реагирует с разбавленной соляной кислотой. Доломит обычно выветривается до характерного тусклого желто-коричневого цвета из-за присутствия двухвалентного железа. Оно высвобождается и окисляется по мере выветривания доломита. [14] Доломит обычно имеет зернистый вид, с текстурой, напоминающей крупинки сахара . [15]
Под микроскопом тонкие срезы доломита обычно показывают отдельные зерна, которые представляют собой хорошо сформированные ромбы , со значительным поровым пространством. В результате подповерхностный доломит, как правило, более пористый, чем подповерхностный известняк, и составляет 80% карбонатных пород нефтяных резервуаров . [16] Эта текстура контрастирует с известняком, который обычно представляет собой смесь зерен, микрита (очень мелкозернистого карбонатного ила) и зернистого цемента. Оптические свойства кальцита и минерального доломита трудно различить, но кальцит почти никогда не кристаллизуется в виде правильных ромбов, и кальцит окрашивается ализарином красным S, в то время как зерна доломита — нет. [17] Доломитовая порода, состоящая из хорошо сформированных зерен с плоскими поверхностями, описывается как плоский или идиотопный доломит, в то время как доломит, состоящий из плохо сформированных зерен с нерегулярными поверхностями, описывается как неплоский или ксенотопный доломит. [15] Последний, вероятно, образуется путем перекристаллизации существующего доломита при повышенной температуре (выше 50–100 °C (122–212 °F)). [17]
Текстура доломита часто показывает, что она вторична, образована путем замены кальция магнием в известняке. Сохранность исходной текстуры известняка может варьироваться от почти идеальной сохранности до полного разрушения. [18] Под микроскопом иногда можно увидеть, как ромбы доломита заменяют оолиты или скелетные частицы исходного известняка. [19] Иногда происходит выборочная замена окаменелостей, при этом окаменелость остается в основном из кальцита, а окружающая матрица состоит из зерен доломита. Иногда ромбы доломита видны прорезанными по контуру окаменелости. Однако некоторые доломиты не показывают никаких текстурных признаков того, что они были образованы путем замены известняка. [17]
Доломит широко распространен в своих залежах, хотя и не так распространен, как известняк. [20] Обычно он встречается в ассоциации с известняковыми или эвапоритовыми пластами и часто переслаивается с известняком. [21] Не существует последовательной тенденции в его распространенности с возрастом, но большая часть доломита, по-видимому, образовалась при высоком уровне моря. Мало доломита обнаружено в кайнозойских пластах (пластах возрастом менее 65 миллионов лет), которые были временем в целом низкого уровня моря. [22] Времена высокого уровня моря также, как правило, являются временами парниковой Земли , и вполне возможно, что парниковые условия являются пусковым механизмом для образования доломита. [23]
Многие доломиты показывают четкие текстурные признаки того, что они являются вторичными доломитами, образованными путем замещения известняка. Однако, хотя было проведено много исследований для понимания этого процесса доломитизации , этот процесс остается плохо изученным. Существуют также мелкозернистые доломиты, не показывающие никаких текстурных признаков того, что они образовались путем замещения, и неясно, образовались ли они путем замещения известняка, не оставившего текстурных следов, или являются истинными первичными доломитами. Эта проблема доломита была впервые обнаружена более двух столетий назад, но до сих пор не полностью решена. [21]
Реакция доломитизации
термодинамически выгоден, со свободной энергией Гиббса 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 процесс может происходить только путем одновременного растворения кальцита и кристаллизации доломита. Это, в свою очередь, требует, чтобы большие объемы магнийсодержащих жидкостей промывались через поровое пространство в доломитизирующемся известняке. [24] Было предложено несколько процессов для доломитизации.
Гиперсоленая модель (также известная как модель испарительного рефлюкса [25] ) основана на наблюдении, что доломит очень часто встречается в ассоциации с известняком и эвапоритами , причем известняк часто переслаивается с доломитом. Согласно этой модели, доломитизация происходит в закрытом бассейне, где морская вода подвергается высоким скоростям испарения. Это приводит к осаждению гипса и арагонита , повышая соотношение магния к кальцию в оставшемся рассоле. Рассол также плотный, поэтому он погружается в поровое пространство любого нижележащего известняка ( просачивание рефлюкса ), вымывая существующую поровую жидкость и вызывая доломитизацию. Пермский бассейн Северной Америки был выдвинут 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 путем испарения капиллярных жидкостей, процесс, называемый испарительным насосом . [25]
Другая модель — это модель зоны смешивания или модель Дорага, в которой метеорная вода смешивается с морской водой, уже присутствующей в поровом пространстве, увеличивая химическую активность магния по отношению к кальцию и вызывая доломитизацию. Образование плейстоценовых доломитовых рифов на Ямайке приписывается этому процессу. Однако эта модель подверглась резкой критике [26] , и в одной обзорной статье 2004 года ее прямо назвали «мифом». [27] В статье 2021 года утверждалось, что зона смешивания служит областью интенсивной микробной активности, которая способствует доломитизации. [28]
Третья модель постулирует, что обычная морская вода является доломитизирующей жидкостью, и необходимые большие объемы промываются через доломитизирующий известняк посредством приливной откачки. Образование доломита в Шугарлоф-Ки , Флорида, может быть примером этого процесса. Похожий процесс может происходить во время повышения уровня моря, когда большие объемы воды перемещаются через известняковую платформу. [29]
Независимо от механизма доломитизации, тенденция карбонатной породы быть либо почти полностью кальцитом, либо почти полностью доломитом предполагает, что как только процесс начался, он быстро завершается. [30] Процесс, вероятно, происходит на небольшой глубине захоронения, менее 100 метров (330 футов), где есть неисчерпаемый запас 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 для промывки магнийсодержащих жидкостей через слои. [31]
Минерал доломит имеет на 12%-13% меньший объем, чем кальцит на щелочной катион. Таким образом, доломитизация, вероятно, увеличивает пористость и способствует сахаристой текстуре доломита. [16]
Доломит пересыщен в обычной морской воде более чем в десять раз, но доломит не выпадает в осадок в океанах. Аналогично, геологи не преуспели в осаждении доломита из морской воды при нормальных температурах и давлениях в лабораторных экспериментах. Вероятно, это связано с очень высокой энергией активации зародышеобразования кристаллов доломита. [32]
Ион магния является относительно небольшим ионом, и он приобретает прочно связанную гидратную оболочку при растворении в воде. Другими словами, ион магния окружен комком молекул воды, которые сильно притягиваются к его положительному заряду. Кальций является более крупным ионом, и это снижает прочность связи его гидратной оболочки, поэтому иону кальция гораздо легче, чем иону магния, сбросить свою гидратную оболочку и прикрепиться к растущему кристаллу. Также сложнее зародить зародышевый кристалл упорядоченного доломита, чем неупорядоченного кальцита с высоким содержанием магния. В результате попытки осадить доломит из морской воды вместо этого осаждают кальцит с высоким содержанием магния. Это вещество, которое имеет избыток кальция над магнием и не имеет упорядочения кальций-магний, иногда называют протодоломитом . [32] Повышение температуры облегчает магнию сбрасывание своей гидратной оболочки, и доломит может быть осажден из морской воды при температурах 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 морской воды в кайнозое редко превышала 40 °C. [35]
Возможно, что микроорганизмы способны осаждаться в первичном доломите. [7] Впервые это было продемонстрировано в образцах, собранных в Лагоа Вермелья , Бразилия [6] в ассоциации с сульфатредуцирующими бактериями ( Desulfovibrio ), что привело к гипотезе о том, что сульфатный ион ингибирует зарождение доломита. Более поздние лабораторные эксперименты показывают, что бактерии могут осаждаться в доломите 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 были добавлены другие пути взаимодействия между микробной активностью и образованием доломита. Между тем, другие исследователи придерживаются противоположного мнения, что микроорганизмы осаждают только кальцит с высоким содержанием магния, но оставляют открытым вопрос о том, может ли это привести к осаждению доломита. [41]
Доломитизация иногда может быть обращена вспять, и доломитовый пласт снова преобразуется в известняк. На это указывает текстура псевдоморфоз минерального доломита, который был заменен кальцитом. Дедоломитизированный известняк обычно связан с гипсом или окисленным пиритом , и считается, что дедоломитизация происходит на очень малых глубинах посредством инфильтрации поверхностных вод с очень высоким соотношением кальция к магнию. [42]
Доломит используется для многих из тех же целей, что и известняк, в том числе в качестве строительного заполнителя ; в сельском хозяйстве для нейтрализации кислотности почвы и поставки кальция и магния; как источник углекислого газа ; как блочный камень ; как наполнитель в удобрениях и других продуктах; 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 соль Эпсома , и используется в качестве добавки к магнию. [43] Он также используется в производстве огнеупорных материалов . [44]
Как и в случае с известняковыми пещерами , естественные пещеры и трубки растворения обычно образуются в доломитовой породе в результате растворения слабой угольной кислотой. [45] [46] Пещеры также могут, реже, образовываться в результате растворения породы серной кислотой . [47] Образования из карбоната кальция (вторичные отложения) в виде сталактитов , сталагмитов , натечных камней и т. д. также могут образовываться в пещерах внутри доломитовой породы. «Доломит — это распространенный тип породы, но относительно редкий минерал в образованиях». [45] И «Международный союз спелеологии» (UIS), и американское «Национальное спелеологическое общество» (NSS) широко используют в своих публикациях термины «доломит» или «доломитовая порода» применительно к естественной коренной породе, содержащей высокий процент CaMg(CO 3 ) 2 , в которой образовались естественные пещеры или трубки растворения. [45] [48]
И кальций, и магний переходят в раствор, когда растворяется доломитовая порода. Последовательность осаждения спелеотемов следующая: кальцит , Mg-кальцит, арагонит , хантит и гидромагнезит . [45] [48] Таким образом, наиболее распространенным спелеотемом (вторичным отложением) в пещерах в карстовых доломитовых породах является карбонат кальция в наиболее стабильной полиморфной форме кальцита. Типы спелеотемов, которые, как известно, имеют доломитовый компонент, включают: покрытия, корки, лунное молоко , текучий камень , кораллоиды, порошок, шпат и плоты. [45] Хотя есть сообщения о доломитовых спелеотемах, которые, как известно, существуют в ряде пещер по всему миру, они, как правило, находятся в относительно небольших количествах и образуют очень мелкозернистые отложения. [45] [48]