Углеродистые толщи верхнего докембрия и нижнего палеозоя Сибирской платформы

В разрезе Сибирской платформы от рифея до силура выделяются 16 стратиграфических уровней (горизонтов), в той или иной мере обогащенных органическим веществом (рисунок): в рифее — усть-ильинский (R1), стрельногорский, деревнинский, шунтарский и его возрастные аналоги нижнетунгусский и малгинский (R2), мироедихинский, кандыкский и его аналог ушаковский (R3); в венде—хатыспытский и мотский; в кембрии — платоновский (G1al1), куонамский (G1ln + G2am) и суханский (чопкотинский) (G3); в ордовике — туринский, криволуцкий, мангазейско-долборский; в силуре — нижне-средне-ландоверийский (граптолитовый) и верхневенлокский — лудловский. Большая часть этих горизонтов имеет региональное распространение на Сибирской платформе. Однако по простиранию литологический состав, мощность и содержание органического вещества (OB) испытывают существенные изменения.

По средневзвешенным величинам Cорг эти углеродсодержащие толщи делятся на доманикоидные с содержанием Cорг более 0,5% и субдоманикоидные — от 0,1 до 0,5%. В то же время как среди первых, так и среди вторых встречаются разности с концентрацией Cорг до нескольких процентов на породу.

Площади развития этих толщ существенно варьировали во времени. Так, площади, которые занимали доманикоидные и субдоманикоидные горизонты, увеличились от раннего рифея к среднему, но к позднему рифею опять сократились.

В венде площади развития углеродистых толщ вновь начали разрастаться с максимумом в конце раннего — начале среднего кембрия. В это время они охватывали почти всю Сибирскую платформу. Однако в последующем площадь распространения углеродистых отложений значительно уменьшилась. Так, в позднем кембрии они формировались в северной части, а в ордовике и силуре — лишь в западной части платформы.

Мощность углеродистых толщ колеблется от нескольких до сотен метров. Как правило, средневзвешенная концентрация Cорг находится в обратной зависимости от мощности, но есть и исключения: например, нижнетунгусская свита и ее аналог шунтарская свита среднего рифея западной окраины Сибирской платформы при мощности до 800—1000 м имеют средневзвешенную концентрацию Cорг 0,6—0,8%.

Эпохи формирования доманикоидных и субдоманикоидных горизонтов отвечают в основном трансгрессивным и реже регрессивным стадиям крупных геоисторических циклов или их определенным отрезкам, в то время как инундационные (максимум трансгрессии) и эмерсивные (максимум регрессии) стадии были неблагоприятны для накопления OB в осадках.

Следует отметить, что формирование почти всех толщ, обогащенных OB, и всех без исключения доманикоидных горизонтов следует во времени за накоплением красноцветных или пестроцветных толщ вне зависимости от того, на какой стадии цикла они образуются. Это объясняется, вероятно, связыванием значительных количеств кислорода во время отложения красноцветов и пестроцветов и, как следствие, последующим снижением процессов аэробного окисления OB во время формирования доманикоидных и субдоманикоидных отложений вплоть до возникновения условий, благоприятных для накопления горизонтов горючих сланцев (пластов с содержанием Cорг 5—20%). В числе примеров последних могут быть названы усть-ильинская свита северо-западного склона Анабарского массива, залегающая на красноцветах мукунской серии нижнего рифея, а также отложения верхней части малгинской свиты, которые залегают на пестроцветах в низах той же свиты, и ряд других.

Первично-углеродистые (доманикоидные и субдоманикоидные) толщи имеют глинистый и глинисто-карбонатный (известково-доломитовый) состав и представлены аргиллитами с прослоями мергелей и глинистых известняков и доломитов темно-серого, черного и коричневого цвета, иногда с примесью алевритового материала. Глинистое вещество в рифейских доманикоидах обычно представлено гидрослюдами различных модификаций с примесью железистого, железисто-магнезиального хлорита и реже каолинита.

Эти толщи формировались в широком диапазоне фациальных условий — от прибрежно-морских, реже лагунных до нормально-морских. Для выяснения генезиса использовались главным образом литологические критерии — трещины усыхания, знаки ряби, зерна глауконита и т. п., а также палеонтологические — фитопланктон, строматолиты, онколиты и другие органические остатки.

В интервале от рифея до силура включительно встречаются толщи, обогащенные «вторичным углеродом» (см. рис. 1), — нефтеносные, а также насыщенные вязкими и твердыми битумами горизонты. В последних нефть претерпела изменения под воздействием гипергенных термальных и фазовых процессов. Эти горизонты не имеют четкой историко-седиментологической приуроченности, хотя и тяготеют к основанию трансгрессивных частей разреза, эмерсивным и инундационным уровням. Они представлены обычно песчаниками, реже карбонатами, почти не содержащими терригенной примеси. В рифее в качестве вторично-обогащенных углеродом могут быть выделены верхи мукунской серии (песчаники), низы малгинской свиты, отдельные пачки шорихинской свиты и ципандинской свиты (карбонаты), а также песчаники ушаковской свиты. В венде — это карбонаты туркутской свиты и песчаники мотской свиты и ее аналогов; в кембрии — доломиты и известняки платоновской и костинской свит и их аналогов, песчаники кесюсинской свиты и немакит-далдынского горизонта нижнего кембрия, а также карбонаты среднего и верхнего кембрия; в ордовике — песчаники байкитской свиты, в силуре — доломиты венлока. Содержание Cорг во вторично-обогащенных горизонтах достигает нескольких процентов.

«Углеродная составляющая» доманикоидных и субдоманикоидных толщ от рифея до силура представляет собой OB сапропелевого типа. Источником OB являлись фитопланктон и в меньшей степени фитобентос, в основном синезеленые водоросли, а также другие их группы (бурые, красные и др.). Наиболее распространенной группой, начиная с раннего рифея, являются сфероморфиды, а позднее, к концу рифея, начинают появляться в массовом количестве представители рода Kildinella. В вендских и кембрийских сланцах широко распространены гистрихосферы. В отложениях нижнего палеозоя определенную часть OB составляют остатки трилобитов, граптолитов и других форм беспозвоночных. Исследуемые доманикоидные и субдоманикоидные толщи являются нефтепроизводившими, диапазон катагенеза OB в них ПК3—AK3 (от позднего протокатагенеза до позднего апокатагенеза). Они генерировали огромное количество жидких и газообразных углеводородов, часть из которых аккумулировалась в ловушках, что и определяет перспективы пефтегазоносности домезозойского чехла Сибирской платформы.

Систематические специализированные исследования по металлогении углеродистых толщ верхнего докембрия — нижнего палеозоя Сибирской платформы только начинаются. Имеются сведения о том, что первоначально обогащенные OB толщи рифея и нижнего палеозоя содержат достаточно разнообразный комплекс микроэлементов, таких, как никель, кобальт, хром, молибден, медь, цинк, ванадий, свинец, стронций, фосфор, которые варьируют в зависимости от условий формирования, вещественного состава и степени вторичных изменений.

Следует заметить, что в исследуемых толщах на Сибирской платформе в первично-обогащенных OB толщах рифея и нижнего палеозоя содержится достаточно разнообразный комплекс микроэлементов; кроме вышеперечисленных, здесь встречены такие элементы, как барий, марганец, титан, цирконий,галлий и др.

Концентрации этих элементов редко превышают кларковые, и, хотя углеродистые толщи обычно богаче прочих по содержанию и разнообразию элементов, внутри самих этих толщ пока не удалось установить четких взаимосвязей между концентрацией углерода и металлов. Так, содержания стронция в 5—10 раз превышают кларковые в нижнетунгусской (R2) и шумнинской (C1-2) свитах и несколько превышают кларк усть-ильинской (R1), ушаковской (R3), кандыкской (R3), мотской (V) свитах и в граптолитовых сланцах силура. Концентрации бария, хрома, ванадия, никеля и меди, как правило, ниже или около кларка, близкие к кларку величины отмечаются в усть-ильинской свите. Содержания марганца везде ниже кларка, кроме малкинской свиты (R2). Концентрации циркония и титана в глинистых толщах выше, а в глинисто-карбонатных — ниже кларка, вплоть до их отсутствия. Содержание кобальта колеблется от 0 до кларковых и в редких случаях (в шумнинской свите нижнего кембрия) превышает кларки. Значения для галлия очень низкие и лишь иногда несколько возрастают в кандыкской свите. Свинец и молибден либо отсутствуют совсем, либо их содержания не достигают кларка, за исключением граптолитовых сланцев, где значения свинца и молибдена могут превышать кларки.

Были проведены детальные исследования распределения элементов по разрезу усть-ильинской свиты (R1) — самой древней на Сибирской платформе доманикоидной толщи. Она интересна еще и тем, что, с одной стороны, ее накоплением завершился терригенный этап осадконакопления, в течение которого размывались коры выветривания кристаллических пород дорифейского возраста Анабарского массива, а с другой — она отмечает начало карбонатного ранне-позднерифейского этапа осадконакопления. Наибольший интерес представляет нижняя половина 60-метрового разреза, состоящая из двух пачек. В нижней пачке мощностью 10,5 м, сложенной переслаивающимися между собой прослоями песчаников, алевролитов и аргиллитов с зернами глауконита, но со следами мелководья (трещины усыхания, следы взмучивания, борозды размыва и др.), содержание Cорг колеблется от 0,13 до 2,42%. По всей глинистой массе алевролитов и аргиллитов наблюдаются отдельные участки (0,4x0,16 и до 3 мм), выполненные коричневым OB.

В отдельных прослоях тонкодисперсное OB «пропитывает» все глинистое вещество или адсорбировано на слюдистых частицах. Наибольшие концентрации OB обнаружены в верхней пачке мощностью 16,5 м, сложенной глинистыми алевролитами с прослоями глауконитов и пропластками коричневых аргиллитов, которые представляют собой по существу горизонты горючих сланцев раннерифейского возраста. Cорг в этой пачке колеблется от 0,5 до 6,6%. Химико-битуминологические исследования показали, что на долю хлороформенного битумоида приходится всего 3,5—3,9%. Дебитуминизированный кероген имеет следующий состав: С — 85,43 и 86,74%, H—11,52 и 12,81%, О + N + S — 9,64 и 9,02%. Сравнительно высокое содержание водорода позволяет отнести горючие сланцы к сапропелевым и указывает на очень высокую «восстановленность» OB при низком содержании гетероэлементов, а также на значительную катагенетическую преобразованность до стадии MK22. Источником OB, как показали исследования Б.В. Тимофеева, является фитопланктон (10 родов и 13 видов).

В изученных отложениях усть-ильинской свиты наиболее широким распространением пользуются такие элементы, как хром, цирконий, свинец. При этом содержания выше кларковых установлены для ванадия, кобальта и свинца. Отмечаются очень слабые колебания концентраций никеля внутри толщи при их в общем низком уровне. Такие элементы, как марганец и титан, а также хром и ванадий ведут себя по разрезу одинаково. Количество циркония и титана возрастает в алевритовых и псаммитовых разностях.

Таким образом, среди изученных углеродистых толщ докембрия — нижнего палеозоя Сибирской платформы наибольший интерес с позиций металлогении, взаимоотношений элементов с OB, составом пород и фациальными условиями представляют пачки черных аргиллитов деревнинской свиты и отдельные горизонты нижнетунгусской свиты среднего рифея Туруханского поднятия, отложения ушаковской свиты верхнего рифея Иркутского амфитеатра, граптолитовые сланцы силура западной окраины Сибирской платформы, а также битуминозные песчаники хужирской свиты венда Иркутского Присаянья.