25.03.2021

Петрохимические и геохимические аспекты типизации углеродистых отложений докембрия


Углеродистые отложения, обладающие повышенными концентрациями целого ряда рудных элементов, широко распространены в докембрийских метаосадочных комплексах. Несмотря на кажущееся единообразие этих пород, связанное с конвергентным характером процессов их формирования, различия в наборе пород, ассоциирующих с ними, позволяют выделить для них ряд формационных типов: терригенно-углеродистый, карбонатно-углеродистый, кремнисто-углеродистый и вулканогенно-кремнисто (карбонатно)-углеродистый. Анализ петрохимических особенностей углеродсодержащих пород, относимых к трем основным (условно-крайним) членам этой группы формаций, и является задачей данной работы.

В качестве петрохимических параметров для графического разграничения пород указанных формационных типов могут быть использованы величины: А = AI2O3—(CaO + K2O + Na2O) — параметр, близкий к "К" Предовского, S = SiO2 — (Al2O3 + Fe2O3 + CaO + MgO), выраженные в молекулярных количествах, С = CaO + MgO(%). В работе использовано более 300 химических анализов углеродсодержащих пород из различных докембрийских регионов (материал авторов и литературные данные). Указанные параметры (рис. 1) позволяют достаточно четко разграничить поля фигуративных точек пород, соответствующих трем основным формационным типам. Граничные параметры, отраженные контурами полей, взяты на основе соотношения основных типов пород (карбонатных, кремнистых и терригенных), слагающих разрезы формаций. Для каждой конкретной формации рассчитан средневзвешенный состав с учетом распространенности различных типов пород в разрезе, отраженный на диаграмме в виде пронумерованных фигуративных точек.

По-видимому, наиболее специфичны для докембрия высокоглиноземистые сланцы, обогащенные тонкорассеянным графитоподобным веществом. Например, кианитовые сланцы свиты кейв — метаморфизованные аналоги каолинитовых глин (рис. 1, 1, 3). По данным целого ряда авторов, подобные образования (высокоглиноземистые гнейсы с графитом) широко развиты в нижнедокембрийских разрезах древних щитов и кристаллических массивов, обычно тесно ассоциируя с графитоносными толщами. Они отмечаются в более поздних отложениях вплоть до верхнего протерозоя, например, черные филлиты с ильменитом и графит-дистен-андалузитовые сланцы воскресенской свиты Западного Таймыра, уреньгинская свита Юго-Западного Урала (наши данные). Широкая распространенность этих отложений в докембрии и их специфический состав (повышенная глиноземистость и отсутствие карбонатных пород) позволяют выделить их в отдельную субформацию углеродистых высокоглиноземистых сланцев.

Наблюдаемое на диаграмме (рис. 1) сближение фигуративных точек на границе полей терригенно-углеродистой и карбонатно-углеродистой формаций отражает тесную сопряженность процессов терригенного и карбонатного осадконакопления, особенно в шельфовых зонах бассейнов. В целом ряде случаев эти две формации тесно ассоциируют друг с другом, зачастую образуя непрерывный терригенно-карбонатный ряд формаций (например, углеродистые филлитовидные сланцы, тесно ассоциирующие с доломитовыми сидеритоносными отложениями в позднем докембрии Кокчетавского массива — по данным авторов). Аналогичное положение занимают углеродистые отложения тимской свиты-Воронежского кристаллического массива (BKM), которые относятся к терригенно-углеродистой формации (количество карбонатных прослоев, по данным В.А. Казанцева, здесь не превышает 15-25%) . В то же время они являются верхним членом оскольской серии, нижняя часть которой (роговская свита) является существенно карбонатной (более 50% разреза) .

Кроме того, карбонатные породы, определяющие состав формации, как правило, наименее обогащены углеродистым веществом. Анализируются же обычно породы, наиболее богатые Cорг, вследствие чего средний состав формаций и соответственно их положение на диагрммах не всегда соответствуют их наименованию, данному им по характерным породным ассоциациям.

Учитывая все это, следует отметить, что разделение этих двух формационных типов (рис. 1) при величинах С = 5—10% и А = +50—50 достаточно условно и определяющим является соотношение пород в конкретных геологических разрезах.

В целом для карбонатно-углеродистых отложений докембрия характерно постепенное увеличение степени карбонатности углеродистых пород от архейских формаций (рис. 1, II, 2,3) к верхнедокембрийским (рис. 1, I, 7).

Касаясь третьей группы углеродистых формаций — кремнисто-углеродистой, — следует отметить, что по характеру породных ассоциаций в ней можно выделить ряд субформаций. Для раннего докембрия наиболее характерны следующие: кремнисто-железисто-углеродистая, тесно ассоциирующая с формацией железистых кварцитов (например, формация Ганфлинт, Канада, по данным A.M. Гудвина), и высокоглиноземистая кремнисто-графитистая субформация, тесно ассоциирующая с терригенно-углеродистыми отложениями (например, графитовые сланцы тетерево-бугской свиты Среднего Побужья, по данным В.В. Закруткина с соавторами). Для более поздних отложений (например, средний протерозой) характерна карбонатно-кремнистая субформация, примером которой могут служить шунгитовые толщи Карелии.

Максимального развития отложения кремнисто-углеродистой формации достигают на рубеже докембрия и фанерозоя (верхний докембрий—нижний кембрий)

Петрохимическая особенность отложений этой формации — присутствие высоких содержаний свободного кремнезема. Следует отметить, однако, что в реальных геологических разрезах кремнисто-углеродистые толщи тесно ассоциируют с карбонатными и терригенно-карбонатными отложениями. В частности, в разрезе онежской серии шунгитсодержащие кремнистые сланцы тесно переслаиваются с терригенно-карбонатными и туфогенно-осадочными породами. Они подстилаются доломит-сланцевой толщей. Присутствие в отложениях этой формации карбонатных прослоев и их взаимопереходы по латерали и смена карбонатных фаций кремнистыми фиксируются и в других регионах. Тем не менее главное в облике этой формации — все же преобладание высококремнистых пород, обогащенных органическим веществом (OB). Тесная связь кремнезема и карбоната, по-видимому, определяется в этих породах их хемогенно-биогенной природой.

Анализ корреляционных соотношений между параметрами, использованными на диаграмме I (рис. 2), показал, что для карбонатно-углеродистых и значительной части терригенно-углеродистых (кроме высокоглиноземистых) формаций наиблюдается четкая прямая корреляционная зависимость (рис. 2, I) между параметрами А и S, свидетельствующая о привносе основной массы кремнезема с терригенной составляющей. Для высокоглиноземистой субформации (рис. 2, II) связь между глиноземом и кремнеземом практически отсутствует, что связано с привносом в бассейн продуктов глубокой химической дифференциации (перемыв каолинитовых кор выветривания). Обратная корреляционная зависимость между глиноземистостью и кремнеземом (рис. 2, III) свидетельствует о том, что концентрация кремнезема в осадке не зависит от терригенного источника и фиксация его в осадках происходит хемогенным (либо биогенным) путем.

Обратная зависимость между кремнеземом (S) и карбонатностью (С) , наблюдаемая для отложений карбонатно-углеродистой и терригенно-углеродистой формаций (рис. 2, I—II), указывает на то, что в этих формациях кварц и карбонаты отлагаются независимо друг от друга (кварц связан с терригенной составляющей, карбонат отлагался хемогенным путем). Напротив, зависимость, близкая к прямой (рис. 2, Ill), наблюдаемая для кремнезема и карбонатности в породах кремнисто-углеродистой формации, указывает на их возможную сингенетичность, т.е. на одновременное хемогенное (либо биогенное) осаждение.

Таким образом, проведенный петрохимический анализ с помощью предложенных диаграмм позволяет до известной степени прояснить принципы типизации углеродистых формаций по породным ассоциациям и выявить их соотношения друг с другом как по химическому составу, так и по характеру процессов, приводящих к их формированию. Так, сближение составов и характера корреляционных соотношений в рядах терригенно-карбонатных и кремнисто-карбонатных формаций является отражением сложности и непрерывности геологических процессов. Специфика конкретных формаций определяется соотношением основных компонентов: терригенная взвесь, карбонат, кремнезем в седиментационных системах формирующихся осадков.

Для терригенных компонентов особого внимания заслуживает состав глинистой части формации.

Реконструкция первичного состава глинистых компонентов докембрийских углеродистых формаций по методике информативных компонентов показала, что для отложений терригенно-углеродистой формации (рис. 3, А) характерны пелиты каолинитового типа (4—1) и гидрослюдистые глины с незначительной примесью монтмориллонита (А— 2). В отложениях углеродисто-карбонатной формации (рис. 3, Б) преобладают пелиты существенно гидрослюдистого состава, нередко со значительной примесью монтмориллонита. Для пород кремнисто-углеродистой формации (рис. 3, В) наряду с гидрослюдистым компонентом существенное место занимают глауконит и хлориты железистого ряда. Аналогичный характер распределения глинистых компонентов фиксируется и в отложениях неметаморфизованных и слабо метаморфизованных сланцев фанерозоя, что свидетельствует об отсутствии принципиальных отличий в условиях формирования этого типа пород в докембрии и фанерозое.

Минеральный состав глинистой фракции углеродистых отложений может быть уточнен с помощью диаграмм Al-K-Mg (рис. 4), предложенных В.К. Головенком, с некоторыми нашими дополнениями. В частности, в правой части диаграммы достроены поля (прерывистые контуры) гидрослюдисто-монтмориллонитовых и глауконит-хлоритовых глин в параметрах: K2O-AI2O3-(MgO+Fe2O3). Фигуративные точки первично-глинистых пород трех перечисленных формационных типов достаточно четко разграничиваются на этой диаграмме в зависимости от преобладания тех или иных глинистых компонентов. Крайние положения занимают точки терригенно-углеродистой (рис. 4, зн. 1, каолинит-гидрослюдистые глины) и кремнисто-углеродистой формаций (рис. 4, зн. 2, монтмориллонит-глауконит); левая и правая части диаграммы (гидрослюдисто-монтмориллонитовые глины) — карбонатно-углеродистый тип (рис. 4, зн.З). Для терригенно-углеродистой формации (рис. 4, зн. 1) по степени уменьшения глино-земистости с одновременным увеличением магнезиальности глинистых минералов в ряду каолинит—гидрослюда—монтмориллонит четко выделяется несколько подтипов углеродистых отложений: 1) существенно каолинитовый: свита кейв, Кольский полуостров (рис. 4, зн. 1, фигуративная точка 3); 2) гидрослюдисто-каолинитовый: уреньгинская свита, Южный Урал (рис. 4, зн. 1, фигуративная точка 4); 3) существенногидрослюдистый: филлитовидные сланцы позднего докембрия Кокчетавского массива, высокоуглеродистые сланцы Сангиленского нагорья, некоторые горизонты шунгитов (рис. 4, зн. 1, фигуративные точки 2,6—8); 4) гидрослюдисто-монтмориллонитовый: черные филлиты. Западный Таймыр, черные сланцы протерозоя Швеции и ряда районов Финляндии (рис. 4, зн. 1, фигуративные точки 1,5).

Характерно, что по своему структурному положению отложения первых двух подтипов относятся к платформенным и субплатформенным образованиям, третьего, по данным В.А. Соколова и ряда других авторов, — к переходным от платформенных к геосинклинальным. Отложения четвертого подтипа рассматриваются как аналоги фанерозойских флишевых образований уже геосинклинального типа.

Таким образом, соотношения между перечисленными глинистыми компонентами углеродсодержащих пород достаточно четко отражают структурную позицию бассейнов, в которых происходило их формирование.

Анализ состава глинистых компонентов неметаморфизованных углеродистых формаций подтверждает основную тенденцию, отраженную на рис. 4. В частности, для диктионемовых сланцев Прибалтики, относимых к терригенно-углеродистой формации (рис. 4, точка 8) и характеризующихся платформенными условиями формирования, устанавливается существенно гидрослюдистый состав глинистого компонента.

Была выявлена прямая корреляционная зависимость между содержаниями углерода и калия в глинистых породах (рис. 5). Преобладание гидрослюдистых (главным образом иллитовых) компонентов в высокоуглеродистых отложениях терригенной формации свидетельствует об их образовании за счет достаточно зрелых продуктов выветривания, т.е. о стабильных условиях в области сноса. Одновременно это и бассейны с наиболее устойчивым режимом. Так, по данным Дж. Вейна и Е. Туртло, наиболее высокие содержания калия характеризуют углеродисто-глинистые отложения замкнутых бассейнов морского типа. Как правило, в поверхностном слое осадков подобных бассейнов создается восстановительная обстановка. Как показали Д. Спенсер, Э. Дегенс и Дж. Кульбицки на примере залива Пария, контуры зон, где отлагаются гидрослюдистые (иллитовые) глины, совпадают с контурами восстановительной обстановки в осадка, т.е. с теми участками морского дна, где могут накапливаться значительные массы биогенного углерода.

Кроме того, в качестве одного из возможных источников калия в углеродистых отложениях А.И. Перельман рассматривает разлагающиеся остатки растительных организмов, зола которых содержит до 10% калия. Поглощенный в процессе эпигенеза калий закрепляется в структуре гидрослюд.

Всем этим и может объясняться ассоциация высококалиевых глинистых осадков с биогенным углеродом (например, образование шунгитов, диктионемовых сланцев и т.д.).

Относительно высокие содержания калия отмечаются и в глинистой фракции пород кремнисто-углеродистой формации (см. рис. 4). Однако для этих отложений характерно одновременно повышенное содержание калия и железа при резко пониженном содержании глинозема, что позволяет предполагать присутствие в первичных породах минерала типа глауконита.

Таким образом, состав глинистых компонентов в углеродистых отложениях — достаточно чуткий индикатор условий их формирования, зависящих от структурной позиции бассейна, а также от породных ассоциаций, которые и стали основой для разделения углеродистых отложений на три перечисленных формационных типа.

Особого внимания заслуживает анализ состава карбонатной составляющей углеродистых отложений выделенных нами двух формационных рядов: терригенно-карбонатного и карбонатно-кремнистого.

Обращает на себя внимание тот факт, что для большинства карбонатно-углеродистых отложений докембрия характерно резкое преобладание в составе карбонатов доломитовой составляющей (рис. 6).
Петрохимические и геохимические аспекты типизации углеродистых отложений докембрия

Вторая особенность карбонатно-углеродистых пород докембрия, как правило, — их повышенная магнезиальность. В среднем отношение CaO к MgO в углеродисто-карбонатных породах приближается к 1. Это свидетельствует о том, что наряду с доломитом в породах обычно присутствуют другие магнийсодержащие минералы. Отмечается также тесная ассоциация магнезитов с OB (горанская серия Памира, рифей Урала и т.д.).

Все это свидетельствует о насыщенности магнием как древних осадков, так и, по-видимому, морских вод, из которых происходило осаждение карбонатов.

Однако тесная ассоциация доломитов с биогенным углеродом позволяет предположить и биогенную или во всяком случае химико-биогенную природу этих доломитов.

Характерно, что почти все установленные органические остатки архейского и нижнепротерозойского возраста по данным Г.И. Каляева, А.М. Снежко, Э.А. Ревенко и ряда других авторов, заключены в породах доломитового состава.

Как показали последние исследования, основными карбонатостроящими организмами в раннем докембрии были биоседиментарные сообщества: цианофиты и бактерии. Как правило, строматолитовые образования характеризуют условия с отклонениями от нормального солевого режима бассейна со сдвигом карбонатонакопления в сторону доломита.

Связь доломитовых фаций с биогенным фактором подтверждается также последними экспериментальными исследованиями Г.П. Бондаренко и Г.О. Ничипоренко, показавшими, что выпадение протодоломита из морской воды в осадок происходит под влиянием гуминовых компонентов OB осадков.

Таким образом, петрохимические особенности углеродистых формаций и,в частности, соотношение в них основных породообразующих компонентов (глинистых компонентов, кремнезема, карбонатов и OB) подтверждают основные принципы типизации углеродистых формаций по различным породным ассоциациям. Выявляется закономерная связь отдельных формационных типов, позволяющая объединить их в формационные ряды терригенно-карбонатных и кремнисто-карбонатных формаций. Одновременно в пределах отдельных формационных типов в связи со 10 спецификой их состава могут быть выделены субформации. Показано, что состав глинистых компонентов углеродистых отложений существенно меняется как в зависимости от состава породных ассоциаций (по формационным типам), так и в зависимости от структурной позиции в пределах отдельных формационных типов.

Кроме того, выявлена специфичность состава карбонатных углеродсодержащих толщ докембрия: резкое преобладание доломитовых разностей над кальцитовыми. Это позволяет предполагать, что доломитоформирующие цианофито-бактериальные сообщества, находящиеся в настоящее время в подавленном состоянии, в докембрии играли значительную роль в биогенном карбонатонакоплении.





Яндекс.Метрика