Происхождение цеолитов

Не знаю, почему, но мы, собирая в двадцатые годы кристаллы цеолитов в пустотах лав, считали, да, кажется, и читали в учебниках, что кристаллы цеолитов являются "поствулканическими минералами", т. е. минералами, выделившимися в процессе остывания лавы. Попробую рассказать подробнее, что под этим следует понимать. Для аналогии привлечем к рассуждениям бутылку лимонада. Когда бутылка закрыта, внутри существует давление и углекислота находится в растворе, в воде, но как только пробка будет извлечена из бутылки, давление падает и углекислый газ, выделяясь, образует пузырьки внутри воды, а на поверхности образует пену. Совершенно такой же процесс происходит при излиянии лавы из жерла вулкана. В вулканическом очаге лава находится под большим давлением и летучие вещества - в первую очередь водяные пары, растворены в лаве; иначе говоря, они входят в состав силикатного расплава. В момент извержения, при излиянии лавы на дневную поверхность, давление резко снижается, и газы выделяются в толще лавы, давая пузыри, поднимающиеся кверху, где возникает шлаковая корка, своеобразная застывшая каменная пена. Тогда мы считали, что цеолитовые кристаллы и другие минералы выделялись из летучих веществ, которые содержались в пустотах и должны были представлять собою концентрированные силикатные водные растворы. Все это казалось настолько очевидным, что в голову не приходило никаких сомнений.

Все-таки надо сказать, что некоторые недоумения появлялись у нас и в те далекие годы и, в первую очередь, они были связаны с изучением лав молодых вулканов. Если все рассуждения, о которых только что говорилось, правильны, то среди лав молодых вулканов должны быть цеолитовые кристаллы; мы их здесь усиленно искали и не находили.

В Грузии, Армении и Азербайджане существует много очень молодых вулканов, наиболее известные из них - Казбек, Алагез, Абул, Самсар и другие; вулканы эти полностью сохранили свою конусовидную форму и кратер, на их склонах можно различить отдельные лавовые потоки, сохранившие свою внешнюю поверхность, следы течения, а в составе застывших лав свежее стекло. В этих лавах много газовых пузырей, но ни в одном из них нет никаких минеральных выполнений пустот; цеолитов или других минералов нами здесь никогда встречено не было. Нам ужасно хотелось найти "свеженькие" цеолиты, но все пустоты в молодых лавах всегда оказывались совершенно пустыми.

Уже через много лет после моих кавказских сборов, в Москве, в 1962 г. в петрографическом научном кружке известный петрограф А. П. Лебедев прореферировал только что вышедшую из печати, весьма интересную работу английского петрографа Г. Уолкера, работавшего долгое время в Северной Ирландии по изучению цеолитов. Г. Уолкер нанес на карту изученного района места находок того или иного цеолита и показал, что разные цеолиты встречаются полосами, захватывающими как лавы, так и слои туфов, лежащие на этих лавах или под ними. По материалам Г. Уолкера, полосы выделения того или иного цеолита, вернее группы цеолитовых минералов, протягиваются поперек толщи лав и туфов мощностью до 1000 м, в которую входят многие пласты этих пород. Отсюда он делает очень интересный и важный вывод о том, что все минералы, в том числе и те, которые встречаются в пустотах лав, образовались уже после того, как была образована вся тысячеметровая толща лав и туфов, в результате воздействия на них более поздних водных потоков. Отсюда и выделения разных цеолитов вдоль некоторых полос - путей движения растворов разных температур.

Для меня этот реферат Алексея Петровича Лебедева был как удар грома, конечно, я не мог согласиться с концепцией Г. Уолкера; я попросил слова и "бросился в бой". Рассказал о Соганлугской осыпи, об ахалцихских и других цеолитах и в обоих месторождениях описал уже известные читателю весьма убедительные примеры того, что выполнение пустот вполне определенно зависит от места, которое занимает пустота в лавовом потоке, а это, по моим тогдашним представлениям, говорило о теснейшей связи цеолитообразования именно с данной лавой. Алексей Петрович сам цеолитами не занимался и в ответ мне мог привести только те соображения, о которых говорил Г. Уолкер; в результате я "торжествовал победу" - большинство специалистов, присутствовавших на заседании, знавших цеолиты только по описаниям, согласились со мной.

Однако "победить" в дискуссии значительно проще, чем написать обоснованную научную статью. В дискуссии много зависит от умения говорить, быстроты мысли и меткости выражений, а иногда и просто от остроумия ответов, В статье же факты должны говорить сами за себя и доказывать высказанное положение. А вот фактов у меня тогда не доставало. Во время летних работ последующих лет я неоднократно выкраивал время, чтобы вновь и вновь посетить цеолитовые месторождения и проверить на них мои старые доказательства и доказательства Г. Уолкера, и очень скоро убедился, что он прав, а я глубоко ошибался. Об этом говорит отсутствие цеолитов в молодых лавах; затем я еще несколько раз осмотрел датолитсодержащую жилу Соганлугской осыпи. Она явно "изложена" на лаву. Лава должна была застыть, расколоться и только после этого в трещине мог отложиться датолит; кроме того, датолитовая жила захватывает и туфы, которые лежат выше лавы. Значит, эта жила много моложе, чем время извержения лав. Ну а как же быть тогда с теми кристаллами датолита, которые в пустотах в лаве; что это? Что-то новое, образовавшееся гораздо раньше, чем жила. Конечно, нет! Это тот же самый датолит: и в жилах, и в пустотах характер датолита одинаков и ассоциация минералов такая же.

Еще одно наблюдение. Вверху Соганлугской осыпи и Ахалцихской жилы выделения цеолитов наблюдаются не только в пустотах шлаковой лавы, но и переходят в вышележащие туфы - некоторые цеолитовые жилки секут не только лавы, но и вышележащие туфы. Опять-таки и здесь можно говорить, что до образования цеолитов не только должны были полностью застыть лавы, но и образоваться вышележащие толщи туфов.

Ну а как же быть с той специфической приуроченностью определенных цеолитов к определенному горизонту и месту в лаповом теле, о котором я говорил. Такая приуроченность действительно существует, однако и это можно легко понять; лавовая толща трудно доступна для воды и она, медленно фильтруясь, обогащается компонентами лавового потока; чем труднее достижима пустота, тем своеобразнее состав вод, которым удается сюда попасть. Поэтому прослеживать цеолитовые пояса Г. Уолкера можно, только учитывая ассоциацию минералов пустот в легко промываемых породах.

С тех пор прошло много лет и появились новые очень интересные работы, подтверждающие представления о наложенности цеолитов на лавы и туфы. Особенно интересными оказались исследования новозеландских специалистов Д. Кумбса, А. Стейнера и их сотрудников, которые были проведены в начале шестидесятых годов. Тогда в Новой Зеландии, в районе поселка Вайракей начали строить, по примеру Италии, электростанцию на подземном тепле. Выбранный район находится в центре крупной вулканической области, и здесь из-под земли выбивается горячий пар и кипящая вода. Можно использовать и эту воду, но чем горячей вода и в особенности пар, тем дешевле будет термальная энергия, поэтому в районе Вайракея начато было бурение глубоких скважин с тем, чтобы получить наиболее горячий пар; при этом удалось изучить современное цеолитообразование. Оказалось, что из этих приповерхностных очень горячих вод (Хочу подчеркнуть, чтобы у читателя не получилось путаницы, что в обоих случаях, где сделаны ссылки, речь идет об одних и тех же температурах, но "измеряются" эти температуры с разных точек зрения. Вода и пар, выходящие из источника (или из глубокой скважины) с температурой в 100-200°С, с точки зрения гражданина, использующего эту воду для нагревания теплиц или для бань, очень горячая, но для геолога, обсуждающего поведение воды в глубинных процессах, эта вода довольно холодная. Магматические процессы порождают воду или пар, вернее водный флюид, с температурой порядка 600°С и выше. Это примечание следует иметь в виду во всех случаях, когда идет речь о "холодной" и "горячей" воде. Всегда следует учитывать, с чьей точки зрения ока горяча, а с чьей холодна) цеолиты выделяются даже в буровых трубах. Одновременно идет замещение вмещающих пород цеолитами и минералами, образующимися совместно с ними (кальцитом, хлоритом и др.). Особенно легко замещается в этих условиях вулканическое стекло. Д. Кумбс даже начал писать о "цеолитовой фации" метаморфизма, подчеркивая этим самым ту важную особенность, что в условиях низких давлений и умеренных температур (100-200°С) наиболее устойчивыми алюмосиликатными минералами являются именно цеолиты.

В послевоенные годы исследования по выявлению возможностей использования подземного тепла проводились на Камчатке и дали интересные результаты: оказалось, что цеолиты выделяются из горячих вод не только в буровых трубах, но и на поверхности речных галек, в тех местах, где горячие источники вытекают в воду реки. Кроме того, выяснилось, что цеолиты замещают и стекло, и полевые шпаты в лавах и туфах, а в трещинах выделяются кристаллические щетки, совершенно такие же, как щетки десмина в Сололакском овраге.

До сих пор все наши рассуждения относились к месторождениям, в которых встречаются интересные для любителя камня минералы и крупные хорошо образованные кристаллы. Однако в последние годы стало ясно, что наибольшие количества цеолитов накапливаются в пластовых месторождениях, где весь пласт, залегающий среди нормальной осадочной толщи, полностью сложен цеолитами, но сколько-нибудь четких кристаллов здесь нет; только мелкие микроскопические выделения этих минералов. Находка цеолитов, составляющих толщи в слоистых породах, была настолько неожиданной, что, несмотря на длительное изучение этих пород и даже их промышленное использование, характер минералов, слагающих эти природные материалы, долго оставался неясным.

Впервые цеолиты в осадочных породах, как это ни странно, были открыты в морских осадках, еще в конце прошлого столетия. Тогда, во время первых океанографических экспедиций, было поднято довольно большое количество образцов со дна океана, и в некоторых из них, взятых в центральной части Тихого океана, а также в Индийском океане, были найдены выделения цеолитов. Позднее встречены были цеолиты и в некоторых, очень редких, осадочных породах Америки и, наконец, уже в годы войны, у нас на Урале. Но все время эти находки рассматривались как редчайший и совершенно неожиданный случай. Однако число таких находок в конце пятидесятых годов стало резко увеличиваться, а в начале семидесятых годов в Туркмении, на Кавказе, в Крыму и во многих других! районах нашей страны начали находить пласты, сложенные целиком или почти целиком цеолитами. Одновременно такие же пласты были найдены и за рубежом: в Америке, на о. Куба, в Болгарии и во многих других местах. Таким образом, выявилось, что это отнюдь не случайность и не какая-нибудь чрезвычайная редкость.

Выяснилась еще одна весьма важная особенность цеолитовых пород. Детальное изучение их под микроскопом показало, что цеолиты развиваются по своеобразным рогулькам или по пузыристой массе (рис. 16). Как правило, сейчас от первоначального вещества, слагавшего "рогульки" и пузыристую массу, ровным счетом ничего не осталось, все замещено цеолитом, однако форма этих "рогулек" и пузыристой массы весьма характерна. Именно такую форму дает вулканический пепел, выбрасываемый вулканами в стадии взрывных извержений. Пузыристая масса также имеет в точности тот же характер, что и обычные пемзы, - также продукт вулканических извержений. Таким образом, становится ясно, что все цеолитовые пласты первоначально отложились как накопление вулканического пепла иногда с примесью пемзы и только потом, видимо, опять-таки под действием горячих вод, этот пепловый материал - стекло, богатое кремниевой кислотой, заместилось цеолитом. И в тех случаях, когда в осадочных породах цеолиты встречаются в небольших количествах, всегда удавалось обнаружить некоторое количество вулканического пеплового материала. Изучение цеолитовых пластовых горных пород сейчас только начинается, и можно ожидать новых интересных открытий.

Рис. 16. Строение туфов в районе пос. Цихис-Убани, Грузия. Видно стекло, частично замещенное цеолитом, и выделение игольчатых цеолитов (клиноптилолита), выделившихся в пустотах между стекловатыми обломками. Снимок в световом микроскопе, увеличение 50 раз

Теперь несколько слов о цеолитообразовании в Никорцминде. Проще всего было бы предположить, что и здесь кристаллизация связана с воздействием поздних горячих растворов, циркулировавших по породе. Но этому противоречат имеющиеся факты: 1) цеолиты строго приурочены к району месторождения и охватывают только магматическую породу и прилегающие к ней мергели (подобные же мергели, расположенные на достаточном удалении от месторождения, совершенно никаких изменений не несут); 2) в породе первыми выделяются безводные пироксен и полевые шпаты, а более поздние цеолиты, участвующие в структуре породы, выполняют промежутки между безводными минералами.

Минералого-петрографическая специфика пород Никорцминды и Марианской Горы, а также их контактов, заключающаяся в присутствии в обоих случаях водных силикатов, объясняется, видимо, двумя моментами: во-первых, очень малой глубиной кристаллизации этих интрузивов, а во-вторых, большим количеством воды в кристаллизовавшейся магме. Наиболее важной, конечно, является малая глубина и, в связи с этим, малое давление, под которым шла кристаллизация водных минералов.

И в случае гибшит-цеолитовых месторождений очень хорошо проявляется та же, что и ранее, особенность цеолитов: кристаллизация их в условиях низких давлений и низких температур. В известной мере это отвечает рассмотренным выше представлениям Д. Кумбса о "цеолитовой фации" метаморфизма.

После того как в лабораториях удалось получить высокие и сверхвысокие давления, стало ясно, что характер минералообразования в значительной степени, больше чем даже предполагалось ранее, определяется величиной давления. Оказалось, что все привычные минералы горных пород, слагающих земную кору (так называемые породообразующие минералы), являются минералами, характерными для умеренных давлений. При повышенных давлениях они переходят в новые минеральные формы, как правило, обладающие большей плотностью, чем минералы, образующиеся при умеренном давлении. Например, при давлениях порядка 15 тыс. атм из расплава вместо обычного плагиоклаза кристаллизуются пироксен и гранат. То же имеет место и в случае свободной кремнекислоты: в условиях умеренных давлений кристаллизуется кварц, имеющий плотность 2,6 г/см³, при давлении около 30 тыс. атм кристаллизуется коэсит, имеющий плотность 2,93 г/см³ и тот же состав. Еще большие давления, порядка 100 тыс. атм приводят к кристаллизации стишовита, плотность которого 4,35 г/см³. Иначе говоря, минералы, обычные для земной поверхности, являющиеся фазами умеренных давлений, переходят с увеличением давления в фазы высоких и сверхвысоких давлений.

Цеолитообразование и кристаллизация других гидросиликатов являются, видимо, также проявлением этой закономерности. Все эти минералы можно рассматривать как минералы "сверхнизких" давлений, образующиеся, кроме того, в условиях избытка воды. Все минералы-спутники цеолитов и сами цеолиты характеризуются исключительно низкими плотностями.

В свете разбираемых соотношений может быть интересен еще один факт. В ряде случаев, породы, образовавшиеся на земной поверхности, оказываются опущенными глубоко в толщу земной коры и погребены под толщей более поздних осадков; в этих условиях породы метаморфизуются, т. е. изменяются под действием господствующих здесь относительно малых давлений и температур глубин Земли. Изучая такие метаморфические породы, можно видеть, что цеолиты, ранее выполнявшие полости этих пород, даже при относительно слабом метаморфизме перешли в тот или иной тюлевой шпат, сохранив зачастую форму своих выделений.

Иначе говоря, в условиях дневной поверхности полевые шпаты неустойчивы и переходят в цеолиты; в условиях же более высоких давлений и температур цеолиты неустойчивы и переходят в полевые шпаты.