Древние углеродистые отложения Тянь-Шаньской складчатой системы и их металлоносность

Молибдено-ванадиево-фосфоритоносная углеродисто-сланцевая формация нижнего палеозоя Тянь-Шаньской складчатой системы формировалась на ранней стадии развития геосинклинали, когда накапливались мощные (500—1000 м) биогенно-хемогенные осадки карачагырской (Туркестано-Алайский, Зеравшано-Туркестанский регионы), беркутской (Чаткало-Нарынский регион), каракашской (Северо-Нуратауский регион), тасказганской и букантауской (Кызылкумский регион) свит.

Региональные исследования черносланцевой формации были начаты нами в 1957 г. в Срединном Тянь-Шане. В течение семи лет (1957—1963 гг.) изучались строение, вещественный состав, геохимия отдельных элементов и генезис углеродистой формации на территории Срединного Тянь-Шаня в бассейне р. Сары-Джаз, хребтов Джетим-Тоо, Кок-Ийрим-Тоо, Нура-Тоо, в Большом Каратау и других районах.

Проведенные геологоразведечные работы значительно расширили наши представления о масштабах распространения формации. Она была обнаружена не только в Северном Тянь-Шане, но и в других участках Средней Азии, а также за пределами этого района (рисунок). Такое расширение пространственного ареала формации невольно привело к путанице в ее датировке. Так, в Южном Тянь-Шане аналогичные отложения рассматривались как силурийские, а в Западном Узбекистане — как среднекаменноугольные.

В 1962 г. М.М. Адышевым, К.Е. Калмурзаевым, Д.И. Щербаковым впервые было высказано предположение о том, что углеродисто-кремнисто-сланцевая формация Южного Тянь-Шаня является стратиграфическим эквивалентом аналогичной формации Срединного Тянь-Шаня и обнаруживает с нею формационное и формационно-геохимическое сходство. В дальнейшем наш прогноз в отношении докембрийского и раннепалеозойского возраста металлоносной углеродистой формации Южного Тянь-Шаня был полностью подтвержден.

В задачи работ входило изучение углеродистой формации в Туркестано-Алайском и Зеравшано-Туркестанском регионах, где она как самостоятельная единица не выделялась и где не были известны ни площади ее развития, ни возраст и стратиграфическое положение. Кроме того, было мало данных о вещественном составе, геохимических закономерностях распределения полезных компонентов и генезисе формации. Результаты проведенных исследований и излагаются в настоящей статье.

По последним данным, Тянь-Шань по возрасту складчатости делится на две системы — Северо-Тянь-Шаньскую и Тянь-Шаньскую.

К Северо-Тяньшаньской складчатой системе с геосинклинальным режимом салическо-фемического типа относится эвгеосинклинальная зона Северной Киргизии и южная часть Казахстанской складчатой области (Чу-Илийская и Ишим-Улутауская зоны), где углеродистая формация развита слабо.

Тянь-Шаньская складчатая система с фемическо-салическим типом геосинклинального режима охватывает Срединный Тянь-Шань с двумя подзонами — Чаткало-Нарынской и Кураминской. В Тянь-Шаньскую складчатую систему также входит Южный Тянь-Шань, включающий Туркестано-Алайскую, Зеравшано-Туркестанскую, Ауминза-Нуратаускую, Кызылкумскую и другие структурно-формационные зоны.

Обе складчатые системы сформировались как результат естественной эволюции геосинклинальных областей и начали свое развитие в разное время, но завершили его одновременно.

На территории Туркестано-Алайского региона Киргизии нами выделены и изучены два типа разрезов интересующей нас формации: 1) западный — углеродисто-кремнистый (Даргун-Маргунский, Сарытагский, Каратанга-Сохский, Исфайрам-Ачикташский и Ойтальский районы) и 2) восточный — карбонатно-углеродисто-кремнистый (Кыргызата-Наукатский и Карагурский районы, а на терриотории Таджикистана в Зеравшано-Туркестанском регионе — Фандарьинский район). Западный и восточный типы разреза формации отличаются по литологическому составу и по степени концентрации в них металлов.

В разрезах восточного типа самыми древними из числа описываемых являются карбонатно-сланцевые породы кыргызатинской свиты (южный подтип разреза) Кыргызата-Наукатского района. Здесь нами обнаружены остатки онколитов. Учитывая структурное положение кыргызатинской свиты, а также находки онколитов, определим возраст свиты как верхи позднего докембрия.

В разрезах западного типа древнейшими отложениями являются породы сагульской свиты, представленные зеленовато-серыми филлитовидными песчано-глинистыми сланцами и древней корой выветривания (сууктангинский разрез).

В этих двух регионах нами впервые выделена углеродисто-кремнисто-сланцевая формация как самостоятельная структурно-формационная и стратиграфическая единица под названием карачагырской свиты, состоящей из двух подсвит: 1) нижней — углеродисто-кремнистой металлоносной и 2) верхней — карбонатной, охарактеризованной трилобитами и брахиоподами амгинского яруса среднего кембрия.

В Кызылкумском регионе Узбекистана были исследованы три района распространения углеродистой формации, а именно Южно-Букантауский, Южно-Тамдытауский и Северо-Нуратауский. Здесь она представлена мощными, плохо охарактеризованными фаунистически (немыми) толщами регионально-метаморфизованных, интенсивно дислоцированных углеродисто-карбонатно-кремнистых, а иногда интенсивно рассланцованных филлитоподобных пород. Нами установлены стратиграфическое положение и границы формации. Нижняя граница формации в Туркестано-Алайском регионе определяется находками вендских онколитов. В Кызылкумском регионе нижняя граница формации выделена на основании находок докембрийских онколитов и строматолитов, а также субкембрийских «тиллитов» в ауминзинской свите, подстилающей углеродисто-кремнисто-сланцевую формацию. Верхняя граница формации после многочисленных находок трилобитов амгинского яруса и выделения нижнего ордовика устанавливается ниже лландовери-венлокских отложений, хорошо изученных в некоторых районах Южного Тянь-Шаня. В целом разрезы древних толщ Туркестано-Алайского, Зеравшано-Туркестанского, Чаткало-Нарынского регионов Тянь-Шаньской складчатой системы имеют почти аналогичное строение, состав и хорошо сопоставляются.

Разрезы позднего и раннего палеозоя Куруктага и Пхеннамаского прогиба по возрасту, литологическому составу и формационному сходству сопоставимы с разрезами древних толщ Тянь-Шаня. Терекенская свита позднего докембрия Куруктага по своему стратиграфическому положению близка к свите кухен Пхеннамского прогиба. Свита яндок нижнего кембрия п-ова Корея хорошо коррелируется с нижней рудоносной подсвитой Северо-Западного Китая (Куруктага), а свита чхосан среднего-верхнего кембрия отчетливо сопоставляется со средними и верхними отделами кембрия Куруктага. Верхнедокембрийские и нижнепалеозойские отложения Китая и п-ова Корея хорошо коррелируются с аналогичными образованиями Тянь-Шаньской складчатой системы.

Изучение литологии кембро-ордовикских отложений позволило выделить три группы пород — глинистые, кремнистые, карбонатные. Среди глинистых пород нами описаны глинистые, известково-глинистые, углеродисто-глинистые и углеродисто-кремнисто-глинистые сланцы. Среди кремнистых пород установлены кремнистые, кварцитовидиые, глинистокремнистые, углеродисто-кремнистые, углеродисто-глинисто-кремнистые, углеродисто-известково-кремпистые сланцы, кварциты и углеродистые кварциты. Карбонатные породы представлены глинистыми и углеродистыми известняками.

Почти для всех типов пород как металлоносного горизонта, так и формации в целом характерно высокое содержание органического вещества.

Св.А. Сидоренко и А.В. Сидоренко пишут в своих работах о свободном биогенном, а также об органическом углероде: «Распространенность свободного биогенного углерода в различных типах осадочно-метаморфических пород докембрия вполне сопоставима с распространенностью органического углерода в основных типах осадочных горных пород фанерозоя и в современных пелагических осадках. Это дает все основания полагать, что «жизненная активность», «биохимическая активность» в докембрийское время была, по-видимому, не такой уж малой».

Этот вывод имеет принципиальное значение для понимания экзогенной истории развития земной коры на самых ранних этапах ее формирования, для познания эволюции осадконакопления в геологической истории Земли, и наши данные прекрасно подтверждают это важное положение.

В генетическом отношении все формы выделения органического вещества в рассматриваемых отложениях Тянь-Шаня являются седиментационно-диагенетическими образованиями, только прожилковые формы являются метаморфогенными. По своей природе органическое вещество является битуминозно-сапропелевым. В зависимости от степени регионального метаморфизма оно представлено антраксолитом, суперантрацитом и графитом. Одновременно установлено, что степень метаморфизма органического вещества увеличивается в направлении с востока на запад: в породах Туркестано-Алайского, Сары-Джазского регионов преобладают антраксолит и суперантрацит, в сланцах Зеравшано-Туркестанского и Кызылкумского регионов — графит. Суперантрациты имеют первичное залегание и относятся к сапропелитам, а антраксолиты имеют вторичное залегание в трещинах, пустотах и в цементе и относятся к битумам.

По данным Л.Н. Бельковой, Тянь-Шань в архее и раннем протерозое пережил догеосинклинальный этап развития земной коры. Геосинклинальная фаза в Южном Тянь-Шане, по нашим данным, началась в рифее. В это время происходит заложение крупных разломов, интенсивное складкообразование. Одновременно появляются прогибы и поднятия. В некоторых районах Туркестано-Алайского региона осадки накапливались в миогеосинклинальных условиях на фоне подводных эффузивных излияний магмы основного состава типа спилитов и диабазовых порфиритов (Сарытагский, Кыргызата-Наукатский районы). В венде в некоторых районах Южного Тянь-Шаня происходит локальная инверсия и начинается формирование «тиллитов» и древней коры выветривания (Сарытагский, Кыргызата-Наукатский и Сары-Джазский районы).

В раннем кембрии в районе находился крупный морской бассейн, вытянутый в субширотном направлении от Букантау до Ойтала, от 50 до 80—100 км шириной. Именно в подобных бассейнах, окруженных пологими, заливаемыми водой побережьями, создавались благоприятные условия для осаждения редких металлов, что было связано с концентрированием в осадках органического вещества. Анализ остатков зоо- и фитопланктона позволяет говорить о гумидном климате областей, окружавших раннекембрийский морской бассейн.

По нашим представлениям, формирование черносланцевой толщи и рудоносного горизонта происходило в условиях морского миогеосинклинального режима, по-видимому, в неритовой зоне с глубинами до 200—250 м. Об этом свидетельствует фауна трилобитов и брахиопод. По данным И.Е. Чернышевой, все кембрийские трилобиты и брахиоподы обитали в мелководной части морского бассейна.

В среднекембрийскую эпоху локальные тектонические движения положительного знака привели к тому, что площадь бассейна сократилась, и он распался на ряд эпиконтинентальных проливообразных впадин.

Сопоставление стратиграфических и литологических данных наряду с геологоструктурным анализом позволило установить, что в каждом районе имеется лишь один, а не несколько, как считалось ранее, ванадиеносный горизонт, отличающийся также повышенными концентрациями молибдена, ванадия и фосфора. Причем молибден и ванадий приурочены к углеродисто-глинистым, углеродисто-глинисто-кремнистым сланцам, обогащенным органическим веществом, а фосфор — к углеродисто-глинистым, углеродисто-глинисто-известковистым сланцам и известнякам с конкрециями.

Установлены следующие закономерности распределения полезных компонентов на изученной территории Тянь-Шаньской складчатой системы. Наиболее высокие содержания полезных компонентов (MoO3 — 0,06—0,068%, V2O5—0,07—0,510%, P2O5 — 0,05—1,48%) установлены в разрезах углеродисто-глинисто-кремнистых (Келю-Сары-Джазский район Чаткало-Нарынского региона) и углеродисто-кремнистых (MoO3 — 0,001—0,02 %, V2O5 — 0,03—0,13%, P2O5 — 0,05—1,15% — Даргун-Маргунский, Сарытагский, Каратанга-Сохский, Исфайрам-Ачикташский районы западной и центральной частей Туркестано-Алайского региона) отложений. Подобным же уровнем концентраций, но с несколько пониженным содержанием P2O5 (MoO3 — 0,001—0,025%, V2O5 — 0,055— 0,23%, P2O5 — 0,03—0,232%) характеризуются метаморфизованные отложения кремнистого и углеродисто-кварцитового состава (Южно-Букантауский, Южно-Тамдытауский и Северо-Нуратауский районы Кызылкумского региона). И наконец, наиболее низкие содержания металлов (MoO3 — 0,001—0,004%, V2O5 — 0,006—0,07%, P2O5 — 0,08—0,78%) фиксируются в разрезах карбонатно-кремнистого типа (Кыргызата-Наукатский и Карагурский районы восточной части Туркестано-Алайского региона и Фандарьинский район Зеравшано-Туркестанского региона).

Несмотря на эти отличия, одинаковая ассоциация полезных компонентов (молибдена, ванадия и фосфора), а также единый спектр малых элементов многокомпонентной формации Срединного и Южного Тянь-Шаня подтверждают вывод (основывающийся на стратиграфическом сопоставлении) о едином кембрийском возрасте углеродисто-кремнисто-сланцевой формации Тянь-Шаня.

Следовательно, многокомпонентная формация раннего палеозоя Южного Тянь-Шаня не только является стратиграфическим эквивалентом аналогичной формации Срединного Тянь-Шаня, но и обнаруживает с ней черты сходства в отношении литологического и геохимического состава.

Рассматриваемая формация образовалась на ранней стадии развития миогеосинклинали, когда накопились мощные (до 500—1000 м) биогенно-хемогенные осадки, выделяемые в качестве карачагырской, беркутской, каракашской и букантауской свит. По нашим представлениям, основная кембрийская трансгрессия привела к появлению проливообразных морских впадин как в Южном, так и в соседнем Срединном Тянь-Шане, в которых накапливались главным образом кремнистые и глинистые осадки, в меньшей степени карбонатные, обогащавшиеся органическими остатками, а в Срединном Тянь-Шане (в бассейне р. Сары-Джаз) одновременно с осадками шло формирование диабазовых порфиритов (мощностью 120 м). Главным источником молибдена, ванадия и фосфора были коры выветривания на континентах, подводновулканическая и поствулканическая активность в соседней Северо-Тянь-Шаньской эвгеосинклинали и частично миогеосинклинали.

В осаждении и концентрировании редких элементов, молибдена и ванадия существенную роль играли органическое и глинисто-фосфатное вещества. При диагенезе произошло перераспределение различных компонентов этих осадков с образованием: 1) фосфатно-карбонатных, кремнистых и других конкреционных образований и 2) сгустковых, пятнистых, линзовидных, глобулярных и других форм выделения металлов. Формирование и диагенез осадков, обусловившие металлогенические особенности формации, происходили на ранней стадии развития миогеосинклинали. В среднюю стадию развития геосинклинали в процессе складкообразования проявился региональный метаморфизм, вызвавший катагенетические изменения минеральной и органической частей пород формации. Криптокристаллические, кремнистые сланцы превращены в кварциты; органическое вещество дало начало антраксолиту, суперантраксолиту и графиту; сформировались метаморфогенные кварцевые жилы «альпийского типа».

В позднюю стадию развития геосинклинали — стадию консолидации складчатых структур, развития разрывной тектоники, внедрения малых интрузий кислого состава — металлоносные горизонты были разбиты на ступенчатые крутопадающие блоки. К этой стадии развития Тянь-Шаньской складчатой системы, по-видимому, приурочено формирование гидротермальных рудных концентраций. Эти процессы, видимо, проявились локально в зонах развития трещин, где происходила сорбция металлов каолинитовыми, гидрослюдистыми и ферритовыми веществами.

Таким образом, накопление редких элементов, молибдена, ванадия и фосфора происходило главным образом в демиссионной стадии развития геосинклинали (в процессе седиментогенеза и раннего диагенеза) с последующим перераспределением в инверсионную стадию геосинклинального развития Тянь-Шаньской складчатой системы.

Проведенные нами на территории Туркестано-Алая (Киргизстан) и Зеравшано-Туркестана (Таджикистан) исследования показали, что выделенная углеродисто-кремнисто-сланцевая формация кембрия как самостоятельная структурно-формационная единица прослеживается на расстоянии более чем 800 км, а с учетом Кызылкумской провинции — более чем 1200 км (с запада на восток).

В последнее время в связи с увеличением потребности промышленности в перечисленных выше элементах, а также благодаря возможности разработки рудных горизонтов в карьерах вопрос практического использования отложений, подобных описанным, встал на повестку дня. Так, в США уже ведется разработка сланцев Чаттануга на ванадий.

В заключение сделаем некоторые выводы.

1. Впервые в Тянь-Шане на территории Туркестано-Алайского и Зеравшано-Туркестанского регионов нами выделена как самостоятельная структурно-формационная и стратиграфическая единица углеродисто-кремнисто-сланцевая формация кембрия под названием карачагырской свиты, состоящей из двух подсвит: 1) нижней — углеродисто-кремнистой металлоносной и 2) верхней — карбонатной фосфоритоносной.

2. Доказан раннекембрийский возраст нижней рудоносной подсвиты, а также установлено стратиграфическое положение формации.

3. На основании анализа стратиграфических, геолого-литологических и геохимических данных нами показано, что в вертикальном разрезе указанной свиты в Южном и Срединном Тянь-Шане выделяется только один рудоносный горизонт, а не несколько, как считалось ранее.

4. При изучении вещественного состава пород формации выделены три типа органического вещества (антраксолиты, суперантрациты и графиты) и установлена их связь с редкими элементами, ванадием и фосфором. Установлены закономерные изменения степени метаморфизма пород и органического вещества в направлении с востока на запад.

5. Уточнены районы распространения формации в пределах Тянь-Шаньской складчатой системы. Показано, что она прослеживается на расстоянии более чем 1200 км (от Букантауского района Узбекистана, на западе, через Фандарьинский металлоносный район Таджикистана до Ойтальского района на востоке Киргизии) и содержит в себе запасы молибдена, ванадия, фосфора и других металлов.