04.03.2021

Барий и стронций в породах углеродистых формаций


В обширной литературе по геохимии бария и стронция в осадочном цикле можно встретить лишь единичные работы, в которых эти два элемента рассматриваются совместно. Практически отсутствуют обобщения, касающиеся поведения этих элементов в процессе формирования углеродистых отложений. В то же время сходство в свойствах этих двух элементов, не исключающее, однако, некоторой индивидуальности поведения, позволяет использовать их соотношение в качестве геохимического индикатора при реконструкции обстановок формирования древних углеродсодержащих отложений.

Целью данной работы является анализ накопившихся к настоящему времени данных по содержанию бария и стронция в осадочных углеродсодержащих породах и выявление самых общих закономерностей в их распределении в зависимости от состава пород и условий формирования. Рассматривается также связь этих двух элементов с органическим веществом (OB), влияние биохимических факторов на их концентрацию.

Кларк бария (6,5*10в-2) вдвое выше кларка стронция, но его геохимическая активность ниже, что определяется растворимостью сульфатов и карбонатов, а также способностью коллоидов адсорбировать катион Ba2+. В отношении миграционной способности он находится в одной группе с калием, а не со стронцием и кальцием. Важно также отметить, что морская вода не всегда является геохимическим барьером для осаждения BaSO4. Будучи относительно богатой SO42- (около 2,7 г/л), она не насыщена BaSO4. И только в условиях очень высокой концентрации SO42- (аридные обстановки и др.) или при повышенных концентрациях бария в водах возникает сульфатный барьер, на котором осаждается барит. Обладая высокой энергией поглощения, барий интенсивно адсорбируется гидроокислами марганца, глинистыми илами, OB. Барием обогащены пелагические илы. Так, в известковых илах его содержание достигает 0,136%, в кремнистых — 0,1, в глинистых — 0,2, в марганцевых конкрециях — 0,17 0,18%.

В осадочных породах барит, как правило, не ассоциирует с целестином и другими минералами эвапоритов. Он образуется в илах морей с нормальной соленостью. Для него характерен парагенезис с пиритом, OB, марганцем, иногда с кальцитом.

Определяющим в поведении Sr является его геохимическая близость с Ca. Характерен изоморфизм Sr и Ca в арагонитовых скелетах и раковинах (до 2%), т. е. в образованиях, связанных с жизнедеятельностью организмов, а также в фосфоритах (до 0,3%). В гумидиых формациях за счет перераспределения Sr, находящегося в составе форменных элементов отмерших организмов в иловых водах, могут возникнуть целестиновые конкреции. Здесь Sr так же как и Ba ассоциирует с Fe, Р, Mn, он захватывается организмами из морской воды нормальной солености.

Наибольшие концентрации стронция (до n%) фиксируются в осадках изолированных заливов и лагун аридных областей: в доломитах, известковистых доломитах, гипсо-доломитовых отложениях. Таким образом, области минимальных и максимальных концентраций Ba и Sr в осадочных породах достаточно четко разграничены. Повышенные содержания Ba (при минимальных — стронция) можно ожидать либо в терригенных (например, в калиевых псаммитах), либо в глубоководных (пелагических) кремнисто-глинистых осадках. Увеличение содержания стронция происходит с ростом карбонатности пород. Рассмотрим, как эти закономерности в поведении Ba и Sr прослеживаются в отложениях углеродистых формаций.

Поскольку при переходе терригенных осадков к карбонатным отмечается закономерное уменьшение отношения К к Ca (т. е. увеличение удельного веса карбонатного компонента с уменьшением глинистого), использование диаграмм в координатах К/Са—Ba/Sr позволяет расположить углеродистые отложения различных формационных типов в зависимости от величин этих параметров. Показательны в этом отношении данные по углеродистым формациям США, сопоставленные в качестве примера метаморфизованных отложений с результатами изучения докембрия Патомского нагорья.

Расположение большинства фигуративных точек на графике (рис. 1) соответствует прямой пропорциональной зависимости отношения Ba/Sr от величины К/Са, что подтверждает тесную геохимическую связь бария с калием, а стронция с кальцием в процессе формирования углеродистых осадков. На графике выделяются поля различных пород глинисто-карбонатного ряда (I—V, см. рис. 1), различающихся как по содержанию CaCO3, так и по величине отношений К/Са и Ba/Sr; формирование этих пород происходило в определенных структурно-фациальных зонах. Интервалу К/Са>5 (со средним значением Ba/Sr~2) соответствуют бескарбонатные глинистые осадки трансгрессивного морского шельфа (поле I); этому же интервалу, но с резким преобладанием Ba над Sr (Ba/Sr~5) отвечают глинисто-кремнистые осадки эвгеосинклинального типа (поле II).

Интервалу К./Са=0,5—5 (при Ba/Sr=0,5—2) соответствуют слабокарбонатные (I—5% CaCO3 — поле III, 5—10% — поле IV) алевритоглинистые отложения шельфа эпиконтинентальных бассейнов. Существенное отклонение от прямолинейного графика (точка 16, сланцы Нонсач докембрийского возраста) может объясняться формированием этих толщ за счет аллювиальных, богатых барием осадков в прибрежно-морских условиях.

И наконец, интервалу К/Са < 0,5 (Ba/Sr < 0,7, поле V) соответствуют существенно карбонатные углеродистые сланцы, сформировавшиеся в платформенных и субплатформенных структурах (окраинные зоны миогеосинклиналей, осолоненные и озерные бассейны).

Литолого-фациальные характеристики отложений, данные по которым были использованы для построения графика (см. рис. 1), свидетельствуют о том, что они принадлежат к различным типам формаций: I — к терригенно-углеродистому, II — кремнисто-терригенно-углеродистому, III—IV — кремнисто-терригенно-карбонатному, V — кремнистокарбонатному и карбонатно-углеродистому, последовательно сменяющимся по профилю от глубоководных частей бассейна (II) через шельф и мелководье (I, II, IV) до прибрежной равнины (F).

Положение фигуративных точек докембрийских метаморфизованных углеродистых отложений (см. условные обозначения к рис. 1, точки 2, 4, 6, 8) полностью укладывается в общую закономерность, намеченную для пород фанерозоя.

Более детально и на большем фактическом материале (таблица) соотношение между Ba и Sr показано на другой диаграмме (рис. 2). Характерно, что основная тенденция в распределении фигуративных точек углеродистых отношений в данном случае соответствует гиперболической функции, т. е. указывает на обратную пропорциональную зависимость между содержанием Ba и Sr. Формационный ряд (поля I—V), намеченный на рис. 1, прослеживается и на рис. 2 (по диагонали слева направо, сверху вниз).


Наибольшее количество (~45%) фигуративных точек располагается в поле I: Ba 100—1000, Sr 100—400 г/т (морские и прибрежно-морские бескарбонатные осадки). Содержание стронция в сланцах этой группы обычно не превышает 300 г/т, что при учете связи большей части этого элемента с глинистой составляющей, по-видимому, является предельным для глинистых минералов (иллит-монтмориллонит), отложенных в бассейнах с нормальной соленостью.

Высокие содержания бария отмечаются в кремнисто-глинистых отложениях, обогащенных либо марганцем и железом [точки 24, 26, 40(1)], либо алюминием (точки 12, 13, 31). Эти точки, располагаясь у верхней границы поля I (поле II), непосредственно примыкают к полю современных глубоководных кремнисто-глинистых осадков (поле VI) и сами, вероятно, сформировались в глубоководной обстановке.

Довольно высокие содержания бария (поле монтмориллонитовых глин и выше, до 1000 г/т) свидетельствуют о присутствии в этих породах наряду с глинистым алеврито-песчаного материала, т. е. о слабой механической сортировке исходных осадков. На это указывает также соседство с точкой 23, характеризующей средний состав углеродистых сланцев в центре поля I, фигуративных точек граувакков (точки 37, 38). Последнее свидетельствует о том, что морские сланцы в составе терригенно-углеродистых формаций имеют достаточно однородный, усредненный в процессе механической дифференциации состав. В химическом отношении они являются слабодифференцированными отложениями.

Граница между полями I и III—IV проходит по линии Ba/Sr = 1. Она отделяет породы практически бескарбонатные от слабокарбонатных сланцев и мергелей с почти равными содержаниями Ba и Sr (200—300 г/т). В большинстве случаев это осадки эпиконтинентальных морей (точки 5, 10, 14, 18, 27).

Поле V отвечает отложениям, существенно обогащенным стронцием (верхняя граница поля — линия Ba/Sr = 1—0,5). Это карбонатные осадки лагунно-морских и континентальных фаций (точки б, 8, 19), осадки карбонатных озер (точки 17, формация Грин-Ривер). Высокие содержания Sr (до 0,4%) отмечаются в известняках докембрия Патомского нагорья (точка 40(4)). Однако самые высокие концентрации Sr (0,5%) при содержании Ba до 0,2% зафиксированы в соленосных толщах формации Грин-Ривер (точка 32).

Выделенные типы углеродистых отложений характеризуются различной относительной распространенностью (в процентах к общему числу точек на диаграмме): I — 45, II — 10, III — IV — 25, V — 20.

Связь бария и стронция с основными компонентами углеродистых пород (терригенная и карбонатная фракции, OB и т. д.) в значительной мере устанавливается на основе анализа корреляции между содержаниями элементов в этих породах. Фактический материал для такого исследования приведен в ряде работ по черносланцевым формациям США.

Анализ корреляционных связей в углеродистых формациях различных типов показал дифференцированность поведения Sr и Ba в разных фациальных обстановках. Так, тесная взаимосвязь Sr и Ba (r — значимый коэффициент корреляции, равный +0, n) при отсутствии их корреляции с OB (r=-0, n) наблюдается в породах, представляющих крайние члены формационного (терригенно-карбонатного) ряда, — в собственно терригенно-углеродистых формациях (точки 1, 2, 3, 12, поле I), а также в карбонатно-углеродистых (точка 17, поле V) и эвапоритовых формациях (точка 8, поле V). В первом случае это объясняется приуроченностью Sr и Ba к терригенной компоненте слабо дифференцированных осадков алеврито-пелитовой размерности, во втором — совместным выпадением их из концентрированных растворов (рассолов) в условиях пересыхающих озер и лагун в форме карбонатов (точка 17, поле V) и сульфатов (точка 8, поле V).

Для формаций промежуточного состава (терригенно-кремнисто-карбонатных и карбонатно-кремнистых) характерны разделение Ba и Sr (r=-0,n) и одновременно тесная связь (r=+0,n) Sr (точки 5, 6, 15, поле III—V) и реже Ba (точка 14, поле III—IV) с органическим углеродом (Cорг). Нередко высокая корреляция (например, для формации Фосфория точка 6, поле V) Sr и Cорг обусловлена присутствием в породе фосфора, тесно ассоциированного и со Sr и с OB. В ряде формаций (точки 5, 15 и др.) стронций одновременно связан и с Cорг и с CaCO3, что подтверждает биогенную природу последнего.

Концентрация Ba и Sr в этих отложениях была обусловлена накоплением OB, поэтому их соотношения (характер корреляционных связей и уровень концентраций) в данном случае можно рассматривать в качестве геохимических индикаторов степени участия организмов в процессах формирования углеродистых осадков.

Таким образом, намечается несколько путей (механизмов) аккумуляции Ba и Sr в породах углеродистых формаций.

1. Терригенный. Поступление Ba и Sr в осадки вместе с тонкообломочной фракцией. Пример — морские и прибрежно-морские отложения (точки 1—3, 12, поле I). Сюда же, по-видимому, относятся песчано-глинистые сланцы формации Нонсач с повышенным содержанием бария (точка 16).

2. Адсорбционный. Адсорбция, главным образом Ba, кремнисто-глинистыми илами, гидроокислами Mn, Fe, Al, OB характерна для эвгеосинклинальных (глубоководных?) отложений (точки 4, 11, 13, 26 и др., поле II, см. рис. 2).

3. Хемогенно-органогенный (наиболее типичен для Sr). Накопление Sr в составе карбонатных, скелетных элементов морских организмов в результате сорбции из вод нормальной солености, вхождение его за счет изоморфизма с Ca в решетку арагонита (раковины, скелеты морских организмов), фосфатов и т. п. Наиболее типичен для шельфовых зон эпиконтинентальных бассейнов, окраин миогеосинклиналей, где биохимические осадки преобладают над терригенными (точки 6, 10, поле III—V).

4. Карбонатно-эвапоритовый (хемогенный). Coосаждения с карбонатами Ca и Sr, с сульфатами Ba и Sr в лагунных обстановках аридного климата совместно с гипсами, доломитами и т.д. (точки 8, 17, 32, поле V).

Таким образом, соотношение Ba и Sr в породах углеродистых формаций определяется, с одной стороны, соотношением К и Ca (т. е. преобладанием глинистых или карбонатных компонентов осадка), с другой — условиями осадконакопления, в которых проявляется тот или иной механизм концентрации этих двух элементов. В связи с этим Ba и Sr являются важными типоморфными элементами такой сложной геохимической системы, как углеродсодержащие осадочные породы, а их соотношения (уровень концентраций, взаимная корреляция, связь с Сорг) могут служить индикаторами условий формирования этой системы. Учитывая инертность Ba и Sr при прогрессивном региональном метаморфизме до амфиболитовой фации включительно, можно использовать эти соотношения при реконструкции условий формирования углеродистых отложений докембрия.





Яндекс.Метрика