04.03.2021

Геохимическая типизация углеродистых формаций


Характерная особенность углеродсодержащих осадочных пород фанерозоя и докембрия — темная (за счет рассеянного органического вещества) окраска и алеврито-пелитовая размерность терригенной составляющей. Это нашло отражение и в названиях, применяемых для обозначения углеродсодержащих пород: «черные сланцы», «черносланцевая формация» и т. д.

Причиной определенного сходства рассматриваемых осадочных образований, запечатлевшегося и в характерном спектре микроэлементов, рассеянных в этих породах, является, с одной стороны, однотипность обстановок их накопления (обычно морские, шельфовые, реже озернолагунные фации), с другой — биохимическая активность органического вещества (OB), которая обусловила очевидную металлогеническую специализацию углеродистых толщ.

Однако, несмотря на конвергентность процессов формирования черных сланцев, разнообразие фациальных их характеристик позволяет выделить целый ряд формационных типов: терригенно-углеродистый, кремнисто-углеродистый, карбонатно-углеродистый и вулканогеннокремнисто (карбонатно)-углеродистый.

Естественно, что каждый из перечисленных формационных типов отличается специфическим геохимическим спектром, в котором отразились различия в условиях формирования углеродистых пород. В данной работе сделана попытка оценить указанные различия и типизировать углеродистые формации по геохимическим данным. Помимо этого, рассмотрены корреляционные соотношения между различными группами химических элементов в породах, слагающих важнейшие типы Лормационных комплексов, в зависимости от состава рассеянного органического вещества — гумусового, с одной стороны, и сапропелевого — с другой.

В работе анализируются углеродистые формации (главным образом по литературным данным) в возрастном диапазоне от докембрия до эоцена. С этой целью были использованы обзоры по геологии месторождений черных сланцев США, где приведены данные исследований более 800 образцов черных сланцев из 20 углеродистых формаций. Для сравнения рассмотрены материалы по другим регионам: угленосные отложения Западной Украины, доманикоидные формации Урала и т. д. Породы, входящие в состав этих формаций, не метаморфизованы либо слабо метаморфизованы.

Учитывая, что корреляционные соотношения между химическими элементами в углеродсодержащих породах и их группами сохраняют устойчивость даже на высоких ступенях метаморфизма, полученные данные в какой-то мере могут быть использованы при изучении докембрийских метаморфизованных углеродистых отложений в целях воссоздания обстановок образования и определения их формационной принадлежности.

Группирование широкой гаммы элементов (более 20) в соответствии с характером корреляции связи между ними проводилось по корреляционным матрицам с помощью векторных диаграмм с применением методов кластер-анализа (построение дендрограмм по методике Девиса).

Группировка элементов и расположение основных групп на круговых диаграммах, предложенные ранее, нами, несколько модифицированы и обобщены в соответствии с задачами данной работы.

Выделяются три основные группы коррелированных элементов (рисунок).

А — группа элементов терригенного происхождения — обычно Ti, Аl и изоморфные с ними Ga, Zr, Sc, а также кремнезем, за исключением случаев, когда он имеет аутигенный характер. Калий и натрий обычно входят в эту группу, но их присутствие будет оговорено особо.

В — органогенно-хемогенная группа, в которую входят органический углерод и с ним связанные элементы — обычно Mo, Cu, Zn, Pb, V и др. В зависимости от различных факторов набор элементов в этой группе и соотношение с другими группами существенно меняются.

С — карбонатная группа, обычно включающая Ca и CO2 (отнесение к этой группе магния, марганца и стронция будет оговорено особо).

Кроме того, выделяется подгруппа D — аутигенная, включающая главным образом халькофилы. Обычно эти элементы тесно ассоциируют с OB (группа В), но при повышенных содержаниях S или P они обособляются в отдельную группу.

Повышенные содержания кремнезема, меди, бария, а в эвапоритах — щелочей, стронция и бора также приводят к их обособлению (фиксация в виде самостоятельных минералов).

Перечисленные группы в виде секторов наносятся на круговые векторные диаграммы. Центр группы А фиксируется у вертикального радиуса (0°), и остальные группы достраиваются по величине значимых коэффициентов корреляции (к=cos а).

Величина косинуса угла между векторами, ограничивающими группировки элементов, является мерой внутригрупповой корреляционной связи и характеризует соотношения между главными группами, что имеет определенный геохимический смысл.

Анализ литологических особенностей пород, слагающих углеродистые толщи, и учет геохимических данных позволили нам выделить шесть формационных типов, из которых три отвечают уже упомянутым выше, два являются переходными (кремнисто-терригенный и карбонатно-кремнисто-терригенный типы) и один представлен эвапоритами, формировавшимися в специфических условиях осадконакопления.

Для каждого из шести типов построена диаграмма распределения основных корреляционных групп элементов.

На основе этих диаграмм (см. рисунок) последовательно (по горизонтальным рядам сверху вниз) рассмотрено сравнительно с главными группами поведение ряда элементов — индикаторов условий формирования исходных осадков. Так, степень фракционирования в группе алюминий (титан) — железо — марганец (триада по Н.М. Страхову, второй сверху ряд) служит показателем уровня химической дифференциации пород, слагающих формацию.

Наличие связи калия и бора с группой терригенных элементов А также является палеофациальным индикатором, а наличие повышенных концентраций того и другого в глинистой части пород может свидетельствовать о солевом составе вод палеобассейна.

Определяющим в поведении кальция и магния (третий ряд) является: 1) появление их в превалирующей карбонатной форме (уход из группы А и корреляции с CO2) и 2) появление доломитовой фазы в карбонатном осадке (взаимная корреляция Ca и Mg с CO2). Оба факта имеют важный геохимический смысл.

Поведение бария и стронция (четвертый ряд) определяется, с одной стороны, различием в их свойствах (большая биофильность и талассофильность стронция, связь его с фосфором и морскими организмами), с другой — фациальными условиями формирования осадков — наличием положительной корреляции как в практически бескарбонатных породах, так и в существенно карбонатных породах и эвапоритах.

Кроме перечисленных геохимических индикаторов, был рассчитан коэффициент кластофильности — Кkf (см. рисунок, нижний ряд), представляющий отношение числа элементов, коррелированных в группе А (терригенной), к общему числу элементов в остальных группах, что позволяет хотя бы приблизительно количественно оценить соотношение элементов по группам в различных типах углеродистых формаций. Ниже приводится краткая характеристика последних.

Углеродисто-терригенная формация. Первая диаграмма отвечает собственно терригенному типу. В качестве примера могут служить черные алевролиты и аргиллиты позднепалеозойского возраста (штаты Кентукки, Индиана и др., США), тесно ассоциированные с угленосными толщами. Их формирование было связано с условиями прибрежного мелководья (континентальный шельф).

Геохимический облик этой формации определяют элементы, выделяемые в качестве группы А. Коэффициент кластофильности здесь больше 2,5. Одновременное присутствие в этой группе таких элементов, как титан, алюминий, железо, магний, стронций, барий, т. е. элементов с совершенно различной миграционной способностью, свидетельствует о крайне слабой степени химической дифференцированности осадка. Карбонатная группа не выражена. Основные компоненты рассеянного OB имеют гумусовую природу.

Отсутствие корреляции никеля, хрома, ванадия и меди с какой-либо из основных групп, по-видимому, связано с эпигенетическим характером минерализации.

Второй тип — кремнисто-терригенные формации — представлен, как правило, чередованием песчаников, алевролитов, кремнистых аргиллитов и углистых пород, иногда в ассоциации с мергелями. В качестве примера взяты формация Чероки и ее аналоги (США). Возраст большинства углеродистых горизонтов — поздний карбон.

К этому же типу принадлежат сланцы Нонсач позднедокембрийско-го возраста. Условия формирования — мелководные шельфовые (в период развития трансгрессии) либо эпиконтинентально-морские.

Выделяются все три корреляционные группы, но элементы группы А играют основную роль (Kkf > 1). Группы В и С сближены и антибатны группе А.

Степень дифференцированности элементов в осадках определяется соотношением элементов триады: алюминий и железо фиксируются в терригенной группе, марганец — в карбонатной. Здесь же присутствуют кальций и стронций. Магний, барий, а также калий совместно с бором входят в группу А.

Органическое вещество имеет смешанную природу: углистые остатки наземной растительности ассоциируют с морской фауной. Появляется группа микроэлементов (свинец, цинк, медь, никель, ванадий, молибден), связанных с OB, сапропелевой природы.

Все это подтверждает переходный характер формационных комплексов описываемого типа и свидетельствует о существенно большей роли морских условий осадкообразования по сравнению с собственно терригенным типом.

В третью группу выделены кремнисто-карбонатно-терригенные формации, по составу и происхождению близкие к кремнисто-терригенным, но с большим удельным весом карбонатных пород в разрезе. К этому ряду могут быть отнесены углеродистые отложения формации Тэкет, аналогичные по возрасту и условиям формирования (эпиконтинентальное море) описанным выше терригенным комплексам. Однако в данном случае углеродистые сланцы ассоциируют главным образом с карбонатными породами. Это богатая органикой формация с обильной морской фауной.

На диаграмме все три основные группы разделены. Промежуточное положение кремнисто-карбонатно-терригенной формации выражено в целом ряде геохимических признаков. Так, калий и бор здесь, как и в случае кремнисто-терригенных формаций, входят в группу терригенных элементов (группа А). Триада распадается. Железо тяготеет к микроэлементам группы OB и находится преимущественно в сульфидной форме. Марганец вместе с кальцием и CO2 выделяется в карбонатную группу. Связь магния с терригенной группой указывает на отсутствие доломитовой фазы. Стронций и барий резко разделены. Барий ассоциирует с микроэлементами биофильной группы, стронций — с карбонатной группой и, вероятно, связан с арагонитом. Спектр микроэлементов, тяготеющих к OB, свидетельствует о сапропелевом его составе.

В качестве четвертого типа выделяются кремнисто-углеродистые формации. Для них характерна следующая ассоциация: черные углеродистые кварциты, мергели и известняки. Возрастной диапазон описываемых образований — от девона до мела. К этой группе принадлежат формации Фосфория, Хэуэй, Чаттануга и целый ряд других. По условиям формирования это отложения шельфа эпиконтинентальных бассейнов либо окраинных зон миогеосинклиналей, с преобладанием биохимических осадков над терригенным». Последнее проявляется в сужении сектора А на диаграммах, Кkf падает до 0,5. Одновременно отмечается сближение секторов групп A, В и С и их антибатность к кремнезему. Индикаторные группы свидетельствуют об интенсивной биохимической дифференциации. Все элементы триады — в разных группах. Бор разделяется с калием, барий — со стронцием. Последний в повышенных концентрациях ассоциирует с фосфатами, OB и большинством микроэлементов.

Карбонатно-углеродистая формация по фациальному типу слагающих пород разделяется на два подтипа — собственно карбонатный и карбонатно-эвапоритовый.

Собственно карбонатный подтип характеризуется тесным переслаиванием углеродистых сланцев и карбонатных пород. К этому типу относятся широко известные формации медистых сланцев Мансфельд, Оутокумпу и др. Здесь он рассматривается на примере формации Грин-Ривер (США). Формирование высокоуглеродистых сланцев, содержащих кероген и жидкие битумоиды, кальцит, доломит, пирит, происходило в озерных условиях с повышенной концентрацией кальция и натрия.

На диаграмме резко сокращен сектор, занимаемый терригенной группой. Величина коэффициента кластофильности снижается до 0,2. Предельная химическая дифференциация фиксируется по отделению элементов триады от терригенной группы и по разделению титана и алюминия. Калий и бор не принадлежат к элементам терригенной группы и фиксируются вместе с железом, марганцем и микроэлементами в аутигенной группе. Отсутствие корреляции OB с этой группой связано, по-видимому, с аллохтонной природой этого вещества, представленного когда-то подвижными нефтяными и газообразными флюидами.

В целом перечисленные геохимические особенности свидетельствуют о предельной химической дифференциации компонентов этого типа формаций.

Карбонатно-эвапоритовый подтип рассматривается на примере комплекса Парадокс формации Хэрмоус (США), сложенного циклическим чередованием известняков, доломитов, ангидрита и галита. Аридные условия и аномальный солевой режим бассейна отразились в обособлении специфической группы элементов — калий, натрий, барий, стронций, концентрации которых резко повышены. Одновременно это выразилось в более слабой, чем в предыдущем типе, дифференцированноcти групп: титан коррелируется с алюминием, а группа OB и группа микроэлементов сближены с терригенной группой А. С этой же группой связан и бор, потерявший связь с калием. Высокие концентрации этих двух элементов отражают повышенную соленость вод бассейна.

Таким образом, проведенное исследование, основанное на изучении характера корреляционных связей между элементами, с применением перечисленных геохимических индикаторов показывает наличие ряда формационных типов углеродистых отложений, различающихся по составу и спектру микроэлементов (от терригенного к карбонатным), по мере того как падает роль терригенной составляющей и увеличивается значение хемогенно-биогенных факторов в процессах седиментации.

В самой общей форме это отражается в величине Kkf, который падает в ряду терригенные — карбонатные формации от 2,5 до 0,2. Каждый из шести приведенных типов распределения, отвечающих конкретным формационным типам углеродистых отложений, обладает определенным соотношением перечисленных корреляционных групп и индикаторных пар, отражающих особенности обстановок, в которых проходила их аккумуляция.

Показано (см. рисунок, второй ряд снизу), что в зависимости от формационной принадлежности отложений меняется тип OB. В терригенных формациях может присутствовать углистое вещество с преобладанием лигниновой составляющей, в кремнисто-карбонатных — преобладают сапропелевые компоненты. В зависимости от этого заметно меняется связь с OB различных микроэлементов. Так, в отложениях континентально-трансгрессивных серий, где преобладает OB лигнинового типа, эта связь либо отсутствует, либо нарушена в процессе метаморфизма углистого вещества.

В случае OB смешанного состава (переходные формации II, III, см. рисунок) эта связь становится заметной, а число микроэлементов возрастает до 7—8.

Максимальное количество микроэлементов, ассоциирующих с OB (более 12), и их наибольшие концентрации (выше средних для углеродистых формаций в 5—10 раз) отмечаются в отложениях кремнистоуглеродистой формации (тип Фосфория), где преобладает сапропелевый тип OB. В данном случае к биофильным элементам, по-видимому, принадлежит и стронций.

Таким образом, описанные типы распределения микроэлементов могут до известной степени служить моделями при сравнительном изучении углеродистых толщ, формационная принадлежность которых по тем или иным причинам недостаточно ясна. Это касается регионов со слабой обнаженностью либо покрытых породами осадочного чехла.

С учетом устойчивости корреляционных отношений между элементами и их группировками в условиях метаморфизма, что показано в целой серии работ, эта методика может быть использована при изучении докембрийских метаморфизованных формаций. Однако этому, безусловно, должны предшествовать геохимичские исследования по выяснению влияния факторов метаморфизма на поведение OB и связанных с ним химических элементов.





Яндекс.Метрика