Geochemische Aspekte der Diagenese von marinen Ton- und Karbonatsedinienten

Zusammenfassung

Der Verlauf von diagenetischen Stoffwandlungen im Sediment hängt weitgehend von dessen Zusammensetzung, von der Porenlösung sowie der überdeckung ab. Am Beispiel der Elemente K, Mg, Ca, S, Mn und Ni wird der Stoffaustausch mit dem überlagernden Meerwasser diskutiert. Die hierzu verwendeten Daten stammen vornehmlich aus Porenwasseranalysen von DSDP-Kernen und anderen Proben junger Sedimente. Um den Stoffumsatz durch Diffusion in der Nähe der Meerwasser-Sediment-Grenze abzuschätzen, benötigt man Messungen von Konzentrationsgradienten wichtiger Ionen im Porenwasser. In großen Bereichen der rezenten Ozeane findet eine Diffusion von K, Mg und S vom Meerwasser in das Sediment und umgekehrt von Ca, Mn, Ni (und N, C) in das Meerwasser statt. Verglichen mit den jährlichen gelösten Zufluß-Mengen von den Kontinenten sind die Mengen aus dem Umsatz von Porenlösungen bei K, Mg, Ca geringer, bei S, Ni (und N, C) etwa gleich groß und bei Mn größer als die kontinentalen Zuflüsse. Die Diffusion von Sulfat ins Sediment und von Bikarbonat- und Ammonium-Ionen vom Porenwasser ins Meerwasser ist an die bakterielle Sulfatreduktion in den obersten Sedimentschichten gebunden. Der Umsatz hängt ab von der Verfügbarkeit von organischem Kohlenstoff. Das ebenfalls aus Sedimenten mit reduzierendem Milieu ins Meerwasser transportierte Mn und Ni wird in Mangan-Eisen-Konkretionen und auf Mineraloberflächen fixiert. Die Diffusion benötigt zur Ausbreitung im Porenraum viel kürzere Zeiten als die Ablagerung der Sedimente. Kompaktionsströme sind für Bilanzen der oberen Sedimentschichten quantitativ unbedeutend.

Im Gegensatz zu Tongesteinen enthalten Karbonatgesteine prätertiären Alters überwiegend diagenetische Minerale. Das läßt sich durch das Vorherrschen von Mg-armem Calzit in verfestigten und von Aragonit und Mg-reichem Calzit in unverfestigten Flachsee-Karbonatsedimenten zeigen. Ein eindeutiger Hinweis auf die diagenetische Bildung dieser Gesteine ist die für primär marine CaCO₃-Phasen viel zu niedrige Strontiumkonzentration und der mit dem geologischen Alter zunehmende Gehalt an dem leichten Sauerstoffisotop¹⁶O in häufigen Kalken.

Abstract

The process of diagenetic alteration of sediments mainly depends on their mineral composition, on the nature of pore solutions and on the depth of burial. Exchange between sea water and interstitial solutions has been evaluated for the elements K, Mg, Ca, S, Mn and Ni. Data for this discussion have been taken from analyses of pore waters extracted from DSDP core materials and from other young sediments. Concentration gradients within sediment profiles were determined for estimates of the exchange rate between sea water and interstitial solutions. In large regions of the present oceans there is a diffusion transport of K, Mg and S into sediments and of Ca, Mn, Ni, (C and N) from interstitial solutions into sea water. Compared with the annual flux of dissolved constituents in the river discharge from the continents the rate of supply from ocean sediments into sea water is smaller in case of K, Mg and Ca, almost equal in case of S, Ni, N and C and larger in case of Mn. Diffusion of sulfate into the upper sediment layer connected with an efflux of bicarbonate and ammonium into sea water is caused by bacterial sulfate reduction. This process is controlled by the availability of organic carbon. Mn and Ni which also diffuse from the reducing environment of sediments into sea water are mainly fixed in manganese iron concretions and in mineral coatings.

Diffusion in pore solutions is a relatively fast process compared with the rate of sediment accumulation. The flow from the compaction of sediments is of minor importance in material balances of the upper sediment layers.

In contrast to clays and mudstones carbonates of Pre-Tertiary age are mainly composed of diagenetic minerals. This statement is proved by the predominance of low-Mg calcite in consolidated and of high-Mg calcite and aragonite in unconsolidated shallow-marine carbonates. Another indication of the diagenetic origin of the major proportion of calcite in carbonate rocks is their Sr concentration which is much too low for equilibration with sea water. The almost regular decrease of¹⁸O of marine limestones with age is explained as a product of oxygen exchange with fresh water. The probability of this process increases with age.

Résumé

La transformation diagénétique des sédiments est largement influencée par leur composition minéralogique, par la composition des solutions interstitielles et par l'épaisseur du recouvrement. L'auteur disente l'échange de K, Mg, Ca, S, Mn et de Ni entre l'eau de mer et les solutions interstitielles. La majorité des données utilisées ici a éte obtenue par l'analyse des solutions interstitielles des carottes du DSDP et d'autres sédiments de date récente. Pour estimer l'échange par diffusion près de la limite sédiment — eau de mer on doit connaÎtre les gradients des concentrations des ions importants dans l'eau interstitielle. Dans de vastes régions des océans récents le K, Mg et le S diffusent de l'eau de mer dans le sédiment; pour le Ca, Mn, Ni (et le N, C) la diffusion se produit en sens contraire. Comparées à l'apport annuel d'éléments dissous dans les rivières, les quantités échangées par diffusion avec les sédiments océaniques sont plus petites pour K, Mg et Ca, à peu près égales pour S, Ni, (et N, C) et plus grandes pour Mn. La diffusion du sulfate dans le sédiment et des ions dé bicarbonate et d'ammonium de l'eau interstitielle dans l'eau de mer est produite par la réduction bactérielle du sulfate dans les couches supérieures des sédiments. L'échange est conditionné par la disponibilité du carbone organique. Le Mn et le Ni provenant aussi des sédiments à milieu réducteur et transférés dans l'eau de mer sont fixés spécialement dans des concrétions de Mn-Fe et sur la surface des minéraux. La diffusion dans les solutions interstitielles est un processus relativement rapide en comparaison de l'accumulation des sédiments. L'écoulement produit par la compaction des sédiments est d'importance mineure pour la balance quantitative des couches supérieures.

Contrairement aux argiles, les roches carbonatées d'âge pré-tertiaire sont constituées en majeure partie de minéraux diagénétiques. Ceci est prouvé par la prédominance de la calcite pauvre en Mg dans les roches carbonatées consolidées d'eau peu profonde vis-à-vis de la prédominance de l'aragonite et de la calcite riche en Mg dans les sédiments non-consolidés. Trets significantive pour la formation diagénétique de ces roches est la concentration en Sr trop petite pour des phases de CaCo₃ d'origine marine primaire de mÊme que l'augmentation de la teneur en¹⁶O avec l'âge géologique dans les calcaires courants.

кРАткОЕ сОДЕРжАНИЕ

ДИАгЕНЕтИЧЕскОЕ пРЕ ОБРАжОВАНИЕ МАтЕРИА лА В ОсАДкАх жАВИсИт, В жНАЧИтЕльН ОИ стЕпЕНИ, От сОстАВА ЁтОгО МАтЕ РИАлА, пОРОВых РАстВО РОВ И пОкРыВАУЩИх ЁтИ ОсАД кИ слОЕВ. НА пРИМЕРЕ ЁлЕМЕНтОВ кАлИь, МАгН Иь, кАльцИь, сЕРы, МАРгА НцА И НИкЕль ОБсУжДАУт ОБМ ЕН МЕжДУ ОсАДкОМ И МОРскОИ ВОД ОИ. пРИ ЁтОМ ИсхОДьт Иж ДАННых, пОлУЧЕННых пРИ АНАлИ жЕ пОРОВых ВОД Иж DSDP — кЕРНОВ И ДРУг Их пРОБ пОжДНИх сЕДИМ ЕНтОВ. ЧтОБы пРЕДстАВИть сЕ БЕ тЕЧЕНИЕ пРОцЕссА ДИФФУжИИ МА тЕРИАлА ВБлИжИ гРАНИ цы МОРскАь ВОДА-ОсАДкИ, тРЕБУЕтс ь ОпРЕДЕлИть гРАДИЕНт кОНцЕНтРАц ИИ ОсНОВНых ЁлЕМЕНтО В В пОРОВых ВОДАх. НА БОльшОМ пРОс тИРАНИИ сОВРЕМЕННОгО ОкЕАНА ОтМЕЧАУт ДИФФУжИУ кА лИь, МАгНИь И сЕРы Иж МОРскОИ ВОДы В ОсАДкИ, И кАльцИь, МАР гАНцА, НИкЕль, А тАкжЕ А жОтА И УглЕРОДА Иж ОсАДкА В М ОРскУУ ВОДУ. кОлИЧЕстВО кАлИь, МАг НИь И кАльцИь, ВыНОсИМ ых пОРОВыМИ ВОДАМИ НЕжНАЧИтЕльН О пО сРАВНЕНИУ с Их гОДОВы М пОстУплЕНИЕМ с МАтЕ РИкОВ; Дль сЕРы И НИкЕль, А тАкжЕ А жОтА И УглЕРОДА ЁтИ ОБЕ ВЕлИ ЧИНы пОЧтИ-ЧтО РАВНы; А Дль МАРгАНцА жНАЧИтЕльН О ВышЕ ЕгО гОДОВОгО пРИВНОсА с МАтЕРИкОВ. ДИФФУжИь сУльФАтА В О сАДОк И ИОНОВ БИкАРБОНАтА И А ММОНИь Иж пОРОВых ВОД В МОРск УУ ВОДУ сВьжАНА с ВОсстАНОВлЕНИЕМ сУл ьФАтОВ БАктЕРИьМИ В В ЕРхНИх гОРИжОНтАх ОсАДкОВ. к РУгОВОРОт ЁлЕМЕНтОВ жАВИсИт От пРИсУтстВИь ОРгАНИЧ ЕскОгО УглЕРОДА. МАРгАНЕц И Н ИкЕль, тАкжЕ пОстУпАЕ Мых Иж ОсАДкОВ пРИ ВОсстАНО ВИтЕльНых УслОВИьх сРЕДы, сВьжы ВАУтсь В ВИДЕ МАРгАНцЕВО-жЕлЕжИст ых кОНкРЕцИИ, А тАкжЕ О БРАжУУт пОкРОВы пОВЕРхНОстЕ И МИНЕРАлОВ. Дль ДИФФУ жИОННых пОтОкОВ ЧЕРЕж пОРы тР ЕБУЕтсь жНАЧИтЕльНО МЕНьшЕ В РЕМЕНИ, ЧЕМ Дль ОтлОжЕ НИь ОсАДкА. пРИ пРОцЕссАх УплОтН ЕНИь пОРОД пРОИсхОДИт В ВЕРхНИх слОьх ОсАДкОВ кАЧЕст ВЕННО НЕжНАЧИтЕльНОЕ пЕРЕ РАспРЕДЕлЕНИЕ ЁлЕМЕНтОВ. В пРОтИВОпОлОжНОсть к глИНИстыМ пОРОДАМ к АРБОНАтНыЕ ОсАДкИ ДО-тРЕтИЧНОгО ВОжРАстА сОДЕРжАт МИНЕРАлы, ОБ РАжОВАВшИЕсь гл. ОБР. В О ВРЕМь ДИАгЕНЕжА. ЁтО пОДтВЕ РжДАЕтсь пРЕОБлАДАНИЕМ БЕДНО гО МАгНИЕМ кАльцИтА В жАтВЕРДЕВшИх кАРБОН АтНых ОсАДОЧНых пОРОДАх МЕлкОВОДьь п О сРАВНЕНИУ с АРАгОНИ тОМ И БОгАтОМУ МАгНИЕМ кАл ьцИтОМ тЕх жЕ, НО НЕжАтВЕРДЕВшИх пОРО Д. ОДНОжНАЧНыМ ДОкАжА тЕльстВОМ ОБРАжОВАНИь ЁтИх пОР ОД пРИ пРОцЕссАх ДИАгЕНЕжА ьВльЕтсь Д ль пЕРВИЧНых МОРскИх кАРБОНАтОВ ОЧЕНь НИжкАь кОНцЕпт РАцИь стРОНцИь И НАлИЧИЕ лЕ гкОгО ИжОтОпА кИслОР ОДА¹⁶0, УВЕлИЧИВАУЩЕЕсь с гЕ ОлОгИЧЕскИМ ВОжРАстОМ В ЧАстО Вст РЕЧАУЩИхсь ИжВЕстНь кАх.