Распределение малых элементов в терригенных формациях докембрия как критерий реконструкции условий

Зависимость между распределением малых элементов и условиями образования литологических формаций установлена и рассмотрена многими исследователями на материале послерифейских формаций, условия накопления которых сравнительно хорошо изучены. Значительно хуже изучен вопрос, сохранились ли эти зависимости в докембрийских формациях, из-за их глубокого метаморфизма, поскольку последний мог приводить к существенному перераспределению микроэлементов, накопившихся в первичных осадках. Положительное решение этого вопроса может открыть возможности выяснения особенностей осадкообразования в докембрии и восстановления первичного облика осадочных образований, затушеванного метаморфизмом.

При дифференцированном решении этого вопроса в связи с отдельными этапами регионального метаморфизма может быть уточнено, на какой стадии метаморфизма, в каких породах и в какой последовательности (пород и элементов) начинается процесс метаморфогенного рудообразования.

Для изучения этого вопроса нами проанализировано распределение акцессорных элементов в нижней и верхней терригенных формациях Кривого Рога по методике, предложенной Н.М. Страховым для так называемого «идеального профиля осадочных формаций». Под «идеальным профилем» понимается профиль, составленный по основным литолого-петрографическим типам пород (песчаники — алевролиты — глины — мергели — известняки) от прибрежной зоны к пелагической, без учета осложняющих деталей. Такие профили были нами выделены в нижней и верхней свитах криворожской серии.

Условия, контролирующие распределение малых элементов в обломочных породах, сводятся к следующему. Малые элементы в водных потоках перемещаются либо будучи во взвешенном состоянии, либо в виде растворов. У разных элементов может превалировать та или иная форма переноса, зависящая от степени растворимости отдельных элементов. Вместе с тем во взвесях максимумы накопления отдельных элементов могут отвечать определенным гранулометрическим фракциям. В совокупности эти факторы и определяют распределение элементов в осадках. Преимущественная миграция элементов в виде растворов способствует накоплению их в пелагической зоне, т. е. в глинистых или карбонатных осадках. При миграции элементов главным образом в виде взвесей максимум содержаний их будет отвечать алевритовым или псаммитовым осадкам.

До процесса переноса решающее значение имеет химическое выветривание на водосборе, а в процессе переноса — возможность сортировки обломочного материала. Первое приводит к разрушению минералов и переводу их элементов в раствор или в состав взвесей. Второе ведет к отделению пелитовых фракций, сорбирующих определенные элементы. Соответственно выступает более контрастное и упорядоченное распределение элементов «в идеальном профиле» — или же — при меньшей сортированности — пестрое или сглаженное их распределение.

Нижняя свита криворожской серии, отвечающая нижней терригенной формации, представлена в основании грубообломочными породами — конгломератами и крупнозернистыми кварцито-песчаниками. Выше по разрезу следуют грубые кварцито-песчаники и, наконец, филлиты. Приведенный разрез является трансгрессивным по своему характеру.

Среди перечисленных пород для анализа были взяты три разновидности: кварцито-песчаники с преобладающим размером обломков 0,5—2,0 мм, отвечающие псаммитам; мелкозернистые кварцито-песчаники с размером зерен менее 0,5 мм — промежуточная разность, могущая условно рассматриваться по крупности обломков в качестве аналога алевритов; филлиты — тонкозернистые образования, отвечающие условно аргиллитам. В целом разрез нижней свиты может рассматриваться как приближающийся к «идеальному профилю».

Более сложным представляется разрез верхней свиты криворожской серии. В центральной части Криворожского синклинория в верхней свите достаточно четко выделяются три подсвиты: 1) нижняя (К31)—углисто (графитито)-терригенная; 2) средняя (К32)—углисто (графитито)-карбонатная — лагунно-морская и 3) верхняя (К33) — кварцито-конгломератовая — молассовая. Они отвечают соответствующим формациям. Первые две формации образуют ряд пород, отражающих развитие от прибрежной зоны (кварцито-песчаники K31) к сравнительно глубокой части шельфа (кварц-биотитовые сланцы и карбонатные породы К32), тоже приближаясь к «идеальному профилю». Как и в профиле нижней свиты, здесь на литологическом облике первичноосадочных пород отразилось влияние метаморфических преобразований: глинисто-песчанистые осадки превращены в кварц-биотитовые сланцы, в той или иной мере обогащенные углистым (графититовым) веществом и карбонатами в зависимости от состава первичного осадка; карбонатные породы приобрели полнокристаллическое строение, превратившись в мраморы. В породах отмечаются минералы сульфидного ряда — пирит, пирротин и др. различного происхождения.

Каждая изученная разность пород характеризовалась несколькими десятками или сотнями анализов. Пробы брали из скважин, которые на глубоких горизонтах дают наиболее полные пересечения пород. Опробовались наиболее представительные интервалы, оптимально характеризующие разрез. Метод анализа — спектральный количественный и приближенно количественный. Чтобы устранить влияние случайных ошибок и полнее описать распределение элементов, проводилась вариационно-статистическая обработка данных, включая определение: закона распределения, среднего содержания элемента, его дисперсии и некоторых других статистических параметров. Поскольку для решения нашей задачи мы можем удовлетвориться относительными содержаниями элементов в пробах, допускается возможность систематической ошибки для некоторых элементов, определенных приближенно количественным методом.

При построении графиков распределения малых элементов в «идеальном профиле» верхней и нижней свит (см. рисунок) мы задавались целью выяснить два вопроса:

1. Сохраняется ли ведущее значение литологического (осадочного) фактора в характере распределения малых элементов в разрезе свит или же влияние метаморфизма и вызванная им мобилизация и перенос вещества привели к существенным отклонениям от «нормального» распределения?

2. Какие палеогеографические и геологические выводы можно сделать, анализируя характер распределения малых элементов в породах указанных формаций криворожской серии при положительном ответе на первый вопрос?

На графиках изображено распределение десяти весьма различных в геохимическом отношении элементов: V — Cr — Ni — Co — Pb — Ga — Cu — Mn — Ba — Sr в «идеальных профилях» нижней и верхней свит криворожской серии. Для сравнения приводится (по данным Н.М. Страхова) распределение тех же элементов в морских отложениях свиты C26 в Донбассе, являющееся классическим примером упорядоченного типа распределения малых элементов.

График распределения элементов в породах верхней свиты (см. рисунок) после получения более точных аналитических данных подвергся некоторым исправлениям по сравнению с ранее опубликованным.

Как показал в своих работах Н.М. Страхов, каждый следующий член перечисленного ряда элементов все в большей степени мигрирует в виде раствора и все в меньшей — в виде взвесей. С другой стороны, различная геохимическая и энергетическая природа этих элементов должна проявиться в их различной миграционной способности в случае эффективного воздействия метаморфизма.

Как показывает анализ, факторы регионального метаморфизма существенно не нарушили закономерного распределения элементов, свойственного «идеальному профилю» нормального осадочного цикла. На приведенных графиках видно, что в большинстве случаев содержание элементов (даже самых контрастных по своей геохимической природе) возрастает от прибрежной (кварцито-песчаники) к пелагической зоне (сланцы, кварц-карбонатные породы и доломиты). Кажущееся уменьшение содержаний малых элементов в карбонатных породах относительно таковых в сланцах, как подсчитано Н.М. Страховым, является результатом накопления в этих породах CaCO3, MgCO3, что привело к разбавлению концентраций элементов в бескарбонатном веществе.

Распределение элементов в «идеальном профиле» верхней свиты может быть отнесено к контрастному упорядоченному типу. Это позволяет сделать вывод о длительном химическом выветривании в области выноса, которое привело к разложению магматических и метаморфических минералов и образованию растворов и тонких взвесей, содержащих большую гамму элементов. Упорядоченный тип распределения свидетельствует также о хорошей сортировке обломочного материала. Кварцито-песчаники верхней свиты криворожской серии состоят в основном из кварца, слагающего основную массу обломочного материала, и цемента. В породе нередко присутствуют зерна полевых шпатов, но все же кварциты в преобладающем числе случаев являются олигомиктовыми и реже полимиктовыми. Это тоже подтверждает предположение о глубоком химическом выветривании исходных пород, послуживших источником обломочного материала, о его значительном переносе и сортировке.

О некоторых особенностях осадконакопления в докембрии свидетельствует аномальное поведение стронция. Его содержания при смещении осадков в пелагическую зону резко уменьшаются. Это объясняется тем, что в отличие от всех других исследованных элементов соединения стронция, перейдя в раствор, продолжают накапливаться в водах морей и океанов. В осадки стронций из растворов поступает преимущественно биогенным путем, большей частью в скелетных образованиях. Так как в протерозое солевая насыщенность была примерно на 0,5—1% ниже современной, а скелетные формы органики отсутствовали, то стронций мог накапливаться только в обломочных фракциях.

Распределение элементов в нижней свите можно характеризовать как сглаженное, переходное от неупорядоченного к упорядоченному типу. Такое распределение типично для пролювиально-аллювиальных образований. Действительно, образование неоднородных песчано-конгломерато-сланцевых отложений нижней свиты можно трактовать как результат переотложения в прибрежных условиях конусов выноса у подножия Кордильеры, образовавшейся в то время к востоку от криворожского прогиба. Кроме того, в условиях тектонического режима геосинклинального моря в осадконакоплении участвовал одновременно различный материал. Часть его поступала из удаленных областей выноса. При этом она испытала длительный перенос и предшествовавшее ему химическое выветривание. Другая часть, вероятно, представляла материал неразложившийся, слабодифференцированный, источники которого находились в непосредственной близости от района аккумуляции.

Представление о разнородности материала, участвующего в осадконакоплении нижней свиты, подтверждается также аномальной формой кривых концентраций некоторых элементов, например хрома, который образует два максимума: один в грубозернистых песчаниках, другой в тонкодисперсных сланцах — филлитах. Первый максимум объясняется нахождением в грубозернистых породах хромита. Второй — вызван тем, что тонкодисперсная взвесь и растворенная часть хрома сорбировались глинистыми частицами и накапливались в филлитах, концентрируясь ныне в хромсодержащих слюдах — фукситах.

На основании проведенного анализа можно сделать заключение, что в исследованном районе региональный динамо-термальный метаморфизм, дошедший до степени зеленых сланцев (филлиты нижней свиты) не вызвал существенного перераспределения изученных малых элементов между метаморфизованными осадочными породами. Это позволяет применить при изучении их литолого-геохимические методы реконструкции первичноосадочного облика и палеогеографической обстановки, разработанные для посткембрийских осадочных образований. При этом нужно учитывать некоторые особенности осадконакопления в докембрии. Вопросы распределения малых элементов в осадочнометаморфических толщах докембрия нуждаются в дальнейшем углубленном изучении.