Петрохимические типы глинистых отложений докембрия

Изучение глинистых отложений докембрия, восстановление их первичного состава и условий образования имеет большое значение для палеогеографических реконструкций и выяснения закономерностей и особенностей докембрийского осадконакопления. Глинистые породы представляют собой наиболее распространенную группу среди других осадочных образований, а их минеральный состав служит хорошим показателем палеотектонических, палеоклиматических и палеогеографических условий формирования отложений.

При восстановлении первичных особенностей глубокометаморфизованных глинистых толщ первостепенное значение приобретает химический состав пород, поскольку между минеральным и химическим составом глин существует достаточно тесная взаимосвязь. Можно полагать, что исходный химический состав пород при собственно региональном метаморфизме существенных изменений не претерпевает, и следовательно, он вполне обоснованно может быть использован при характеристике метаморфизованных глинистых отложений.

При восстановлении первичного минерального состава в перекристаллизованных породах мы можем опираться только на данные валовых химических анализов, в то время как для неметаморфизованных глин чаще всего производятся анализы глинистой фракции (меньше 0,001 мм), что позволяет избежать искажений состава глинистой части пород за счет механических примесей неглинистых компонентов. Вследствие этого далеко не всегда можно определенно судить об исходном минеральном составе исследуемой породы только по содержанию тех или иных породообразующих окислов, выраженному в весовых процентах.

Для наиболее распространенных в природе глинистых минералов каолинитовой, гидрослюдистой и монтмориллонитовой групп и фракций меньше 0,001 мм отношения глинозема к кремнезему, суммы Na2O и CaO к сумме К2О и MgO, К2О к MgO различны, но внутри каждой группы довольно постоянны, что в значительной мере позволяет избежать влияния примесей, а также судить о присутствии в исследуемой породе смеси из двух или нескольких глинистых минералов.

Глины и минералы каолинитовой группы наиболее резко отличаются от других минералогических типов (табл. 14). Для них характерно весьма высокое (до 30% и более) содержание глинозема и в связи с этим большие значения кремневого модуля (0,60—0,85), хотя в природных глинах эти показатели несколько снижаются из-за примеси свободного кремнезема. Количество окислов щелочных и щелочноземельных элементов в каолинитовых глинах незначительно и не превышает 3—5%, а отношение их суммы к глинозему составляет всего 0,03- 0,13 с тенденцией к увеличению в валовых пробах. Характерно, что в глинах этой группы отношения К2О и MgO очень высокие. Они намного больше, чем в среднем для гидрослюд и гидрослюдистых глин, что может указывать на примесь в каолинитовых глинах минералов гидромусковитового ряда, более устойчивых в условиях глубокого выветривания по сравнению с железо-магнезиальными гидрослюдами.

Гидрослюдистые глины и минералы характеризуются в целом более низким содержанием глинозема и меньшими значениями кремневого модуля, но в чистых разновидностях глин и самих гидрослюдах содержание глинозема довольно высокое (до 25% и более), в связи с чем значения кремневого модуля повышаются до 0,50—0,52, приближаясь к таковым в каолинитовых глинах. Однако гидрослюдистые глины отличаются от каолинитовых большим содержанием щелочных и щелочноземельных элементов, отношение суммы окислов которых к глинозему (несмотря на значительное его количество) достигает 0,36—0,51. Среди указанных элементов в гидрослюдистых глинах преобладают окислы калия и магния с отношениями между ними 1,4—1,7.

Монтмориллонитовые глины и минералы отличаются невысоким содержанием глинозема и умеренным суммарным содержанием окислов щелочных и щелочноземельных элементов. Кремневый модуль в них ниже, чем в гидрослюдах и чистых гидрослюдистых глинах, но отношения суммы окислов щелочных и щелочноземельных элементов к глинозему довольно близкие. Однако в монтмориллонитовых глинах существенную роль играют CaO и Na2O, a MgO резко преобладает над K2O, в связи с чем отношения K2O к MgO в этих глинах, в отличие от гидрослюдистых, очень низкие и составляют всего 0,1—0,3.

Отмеченные выше особенности основных минеральных типов глин и глинистых минералов и были использованы при выделении петрохимических типов среди метаморфизованных глинистых отложений докембрия и восстановлении их первичного минерального состава (рис. 40, 41).

Для сравнения метаморфических пород с осадочными и изверженными и определения тем самым их первичной природы в разное время был предложен ряд систем пересчета химических составов на некоторые петрохимические «характеристики» или «числа» и способов графического изображения последних. Однако авторы этих методов при разделении породообразующих элементов на группы исходили в первую очередь из поведения и взаимоотношений между этими элементами в процессах магматического или метаморфического минералообразования. Поведение элементов в экзогенных процессах не учитывалось или учитывалось лишь частично. В результате, например, железо и магний во всех системах пересчета объединяются в одну группу, а в некоторых случаях — кремнезем и двуокись титана.

Предлагаемые расчеты отношений и диаграммы построены, исходя из поведения породообразующих окислов в зоне гипергенеза и геохимических особенностей различных минеральных типов глин. По расположению фигуративных точек, отвечающих химическому составу исследуемых пород, относительно фигуративных точек состава эталонных минералов и глин, а также расположению вершин треугольников можно судить о присутствии в породах смеси из нескольких глинистых (и неглинистых) минералов и даже оценивать, хотя бы и приближенно, количественные соотношения между ними. На диаграмме SAK (см. рис. 40) отражается валовой состав пород без летучих компонентов, а группировка породообразующих окислов по вершинам треугольника производится, исходя из степени подвижности элементов в зоне выветривания. Хорошо различаются химически высокозрелые глины каолинитового и каолинит-гидрослюдистого состава. Однако для полимиктовых глин и глин с примесью обломочных зерен кварца в природных глинах точки химического состава часто располагаются в одном и том же поле. В связи с этим для определения примерного минерального состава глинистой части таких пород автором предложена вторая диаграмма — CAK. Вершины треугольника на ней отвечают 100%-ному содержанию окислов кальция и натрия — глинозема — окислов калия и магния (см. рис. 41). По этой диаграмме, учитывая к тому же отношения К2О к MgO, можно отличать существенно гидрослюдистые глины от монтмориллонитовых и гидрослюдисто-монтмориллонитовых. Диаграмма позволяет также выявлять присутствие натрий- и кальцийсодержащих алюмосиликатов, если они присутствовали в заметных количествах.

Среди метаморфизованных первично глинистых формаций докембрия выделяется, как уже отмечалось (см. рис. 40), несколько петрохимических типов глинистых отложений. Средний химический состав их приведен в табл. 15.

К I типу можно отнести первично глинистые породы пурпольской свиты Патомского нагорья, анайской свиты Западного Прибайкалья, нижней части (пачки А—Г) кейвской серии Кольского полуострова, зигальгинской и таганайской свит Южного Урала, овручской серии Украины. Для этих пород характерно высокое (более 25, а нередко и 30%) содержание глинозема и незначительное (не более 3—5%) количество щелочных и щелочноземельных элементов. Отношение суммы окислов последних к глинозему почти такое же, как у каолинитовых глин, и колеблется в пределах 0,10—0,18, редко поднимаясь выше (зигальгинская свита). Кремневый модуль у рассматриваемых пород, как правило, весьма высокий, а среди щелочей и щелочных земель резко преобладает калий. Отношение К2О к MgO всегда больше 2. На треугольной диаграмме SAK точки, отвечающие среднему составу пород данного типа, тяготеют к полю каолинитовых глин и минералов и образуют четко обособленную полосу, ограниченную линией 5%-ного содержания щелочей и щелочных земель. Отмеченные выше особенности показывают, что первоначально породы первого типа представляли собой существенно каолинитовые глины, иногда содержащие незначительную примесь гидрослюд (в основном гидромусковита). Породы пурпольской свиты были обогащены, кроме того, свободными гидроокислами железа и алюминия.

Высокоглиноземистые породы I типа слагают мощные и довольно однородные самостоятельные формации и в разрезе всегда ассоциируют с обломочно-кварцевыми (в основном песчаными) формациями. Te и другие приурочены к основанию крупных осадочных циклов и залегают с угловым несогласием и значительным перерывом в осадконакоплении на корах глубокого химического выветривания подстилающих пород.

Первично глинистые породы II типа сходны с породами I типа, но отличаются от них меньшим содержанием глинозема (в среднем 22—26%) и несколько большим количеством щелочных и щелочноземельных элементов (до 6—8%). Породы такого состава распространены среди отложений джалагунской свиты Патомского нагорья, тунгусикской и ослянской серий Енисейского кряжа, криворожской серии Украины и системы Витватерсранд в Южной Африке. Условно сюда отнесены и отложения верхней части кейвской серии (пачка Д). Кремневый модуль в породах II типа достаточно высокий, но отношение суммы окислов щелочных и щелочноземельных элементов к глинозему (0,25—0,39) больше, чем в породах I типа и имеет значения, промежуточные для каолинитовых глин и минералов (см. табл. 14). На диаграмме SAK — точки химического состава отложений II типа также занимают промежуточное положение между указанными глинами. Все это свидетельствует о том, что рассматриваемые породы первоначально представляли собой глины смешанного гидрослюдисто-каолинитового и каолинит-гидрослюдистого состава. Вероятно, они содержали и некоторую примесь минералов монтмориллонитовой группы, на что указывает заметное количество в породах MgO и более низкие, чем в гидрослюдах, отношения KaO и MgO в отложениях криворожской серии и системы Витватерсранд.

Несколько особняком стоят отложения верхней части кейвской серии (пачка Д). Они отличаются значительно более высоким содержанием кремнезема и пониженным содержанием глинозема, а среди подвижных элементов в них отмечается значительное количество окислов кальция и натрия. Возможно, эти особенности объясняются примесью в исходных породах обломочного полевошпат-кварцевого материала, в связи с чем и на диаграмме SAK точка среднего их состава занимает наиболее низкое положение, тяготея к вершине SiО2.

Глинистые породы III типа представлены сланцами района Коннемары в Ирландии и дальредской серии Шотландских нагорий. Он характеризуется весьма высоким содержанием глинозема (более 25—26%), но одновременно и высоким содержанием щелочных и щелочноземельных элементов (около 9—10%). Отношение суммы окислов этих элементов к глинозему несколько ниже (0,37—0,38), а К2О и MgO — несколько выше (1,6—1,7), чем в чистых гидрослюдистых глинах и гидрослюдах. На диаграмме SAK точки состава рассматриваемых пород также располагаются вблизи или выше точек среднего состава гидрослюд и фракции гидрослюдистых глин меньше 0,001 мм. В целом по своим геохимическим особенностям глинистые породы III типа близки к достаточно чистым от обломочной примеси глинам существенно гидрослюдистого состава, содержащим некоторое количество каолинита и, возможно, минералов монтмориллонитовой группы (учитывая заметное количество кальция и натрия в их составе).

Высокоглиноземистые глинистые породы II и III типов также слагают самостоятельные и довольно мощные формации, но в разрезе последние ассоциируют не только с обломочно-кварцевыми, но и с карбонатными формациями. Среди глинистых отложений могут присутствовать горизонты и пачки карбонатных и карбонатно-глинистых пород, сами глинистые отложения также могут быть иногда карбонатными. В карбонатных формациях более широко распространены доломиты, встречаются также залежи сидерита и магнезита (Южный Урал, Енисейский кряж). Непосредственных связей высокоглиноземистых формаций II и III типов с древними корами химического выветривания не наблюдается. Она устанавливается только из анализа особенностей Химического состава пород. В разрезах отдельных осадочно-метаморфических комплексов рассматриваемые формации занимают различное стратиграфическое положение.

Описанные выше три типа высокоглиноземистых отложений хорошо выделяются и на треугольной диаграмме САК, характеризующей состав глинистых компонентов пород (см. рис. 41). Четкую грань между охарактеризованными типами первично глинистых пород провести можно не всегда. Некоторые формации, сложенные этими породами, по отдельным особенностям химического состава занимают промежуточное положение (зигальгинская свита между I и II, криворожская серия между II и III типами отложений) вследствие более смешанного исходного минерального состава пород.

Среди докембрийских первично глинистых отложений очень широко распространены породы, для которых характерно довольно низкое (16—18%) среднее содержание глинозема и, как правило, весьма значительное (обычно более 9—10%) количество щелочных и щелочноземельных элементов. На диаграмме SAK точки средних химических составов этих пород располагаются в виде очень кучной группы, четко обособленной от высокоглиноземистых отложений. Выделить на ней какие-либо минеральные типы пород не удается, хотя из табл. 15 видно, что соотношения кальция, натрия, магния и калия в рассматриваемых породах колеблются в очень широких пределах при общем преобладании двух последних элементов. Для этих пород более показательна диаграмма САК, на которой содержание кальция и натрия, и калия и магния показаны раздельно. Из этой диаграммы видно, что и среди невысокоглиноземистых первично глинистых отложений докембрия можно выделить некоторые обособленные петрохимические типы.

К IV петрохимическому типу можно отнести глинистые отложения курской серии KMA и ятулия Центральной Карелии. На диаграмме CAK эти породы занимают обособленное положение. Они характеризуются резким преобладанием калия и магния над другими подвижными элементами, а калий, в свою очередь, значительно преобладает над магнием. В породах курской серии отношение К2О к MgO сходно с таковым для среднего состава гидрослюд и чистых гидрослюдистых глин, а в глинистых сланцах ятулия оно еще выше и составляет 2,2. По-видимому, и те, и другие первоначально представляли собой гидрослюдистые глины, причем отложения ятулия были сложены в основном гидрослюдами гидромусковитового ряда. В разрезе первично глинистые отложения сочетаются с обломочными кварцевыми и полевошпат-кварцевыми, реже карбонатными породами, залегая на коре выветривания более древних подстилающих образований.

К V типу условно отнесены глинистые отложения остенсакенской свиты Таймыра, ладожской серии Северного Приладожья, мамской толщи (верхнепротерозойской ее части) Патомского и Северо-Байкальского нагорий и мойнской серии Шотландии. Судя по геохимическим особенностям, глинистые отложения остенсакенской свиты Таймыра первоначально представляли собой глины гидрослюдисто-монтмориллонитового состава, возможно, с примесью бейделлита, о чем говорит несколько повышенная глиноземистость пород (около 22% Al2O3) и заметное содержание кальция и натрия в породах. He исключено, что в породах присутствовали также и минералы хлоритовой группы. Эти отложения близки, с одной стороны, к отложениям курской серии и ятулия, а с другой, — к сланцам Коннемары в Ирландии, отличаясь лишь более высоким содержанием кальция и натрия. Глинистые отложения остальных перечисленных подразделений также характеризовались полимиктовым составом с преобладанием в глинистой части минералов монтмориллонитовой группы и присутствием хлоритов. Наименее зрелым химически осадочным материалом были сложены глинистые отложения мойнской серии Шотландии, которые по своим геохимическим особенностям в известной мере сходны с кислыми изверженными породами, но отличаются от последних меньшим содержанием кремнезема и преобладанием магния и калия над кальцием и натрием.

В разрезах осадочно-метаморфических комплексов глинистые отложения V типа в виде самостоятельных формаций или горизонтов среди других пород, ассоциируют, как правило, с полимиктовыми обломочными, карбонатными (существенно известковыми) и эффузивноосадочными отложениями, причем ассоциации эти могут быть весьма разнообразными.

Наряду с изучением геохимических особенностей глинистых отложений докембрия автором был проведен анализ палеотектонических, палеоклиматических и палеогеографических условий их образования как на основе полевых исследований по ряду серий и свит, так и путем обобщения литературных материалов. Этот анализ показал, что для разных петрохимических типов первично глинистых пород условия образования были различными.

Высокоглиноземистые глинистые отложения первого типа и сопутствующие им обломочно-кварцевые формации представляют собой типично платформенные образования, накапливавшиеся в условиях жаркого влажного климата за счет перемыва и переотложения зрелых кор химического выветривания. Резкая фапиальная пестрота отложений, линзовидное залегание и быстрое выклинивание по простиранию пород разного гранулометрического состава и окраски, нередко плохая сортировка и окатанность обломочного материала в песчаниках, наличие в них косой слоистости потокового и бассейнового типа, следов течения и знаков ряби, трещин усыхания и т. д. свидетельствует о том, что накопление этих отложений происходило главным образом в пределах озерно-аллювиальных равнин в непосредственной близости от областей сноса терригенного материала.

Глинистые породы II и III типов, ассоциирующие с обломочнокварцевыми и существенно доломитовыми формациями, также накапливались в условиях, близких к платформенным, но, вероятно, в обстановке краевых и более подвижных участков древних платформ, на границе их со смежными геосинклиналями. Фациально глинистые породы этих типов, как и другие связанные с ними отложения, более устойчивы. Следы течения, косая слоистость потокового типа в обломочных породах и трещины усыхания в алевритово-глинистых отложениях отмечаются реже или совсем отсутствуют, а отдельные, даже тонкие слойки прослеживаются на значительные расстояния. В целом все особенности рассматриваемых отложений указывают, что накопление их шло преимущественно в прибрежной части водных бассейнов, по-видимому (учитывая значительное развитие доломитов среди карбонатных формаций), в известной мере засолоненных. Материал для формирования терригенных отложений также поступал из древних кор химического выветривания, хотя связь с последними и менее тесная, чем для глинистых отложений I типа. Вероятно, близкими к описанным были и условия формирования глинистых отложений IV типа, но, по-видимому, глубина химического выветривания материнских пород в области сноса была менее интенсивной.

Палеотектонические, палеоклиматические и палеогеографические условия образования полимиктовых глинистых отложений V типа были весьма разнообразными, но накопление этих отложений происходило главным образом за счет механического разрушения материнских пород и в меньшей мере за счет химического преобразования исходного материала. Среди этих отложений встречаются как континентальные, так и морские (флишоидного типа отложения ладожской серии и Таймыра), а для некоторых (формация Гоуганда в Северной Америке) предполагается даже ледниковое происхождение.