Опыт типизации углеродистых пород протерозоя Карелии

Геологическими и геолого-литологическими исследованиями в докембрии Карелии установлены две. основные эпохи первичного накопления углеродистых отложений: раннепротерозойская (лопская) геосинклинального типа и среднепротерозойская (ятулийско-суйсарская) проплатформенного и платформенного типа. Нижнепротерозойские вмещающие отложения претерпели изменения в условиях средней и высокой степеней регионального метаморфизма, при этом углеродистый материал представлен разными формами графитов. Среднепротерозойские породы метаморфизованы в условиях низких степеней регионального метаморфизма; преобладающее развитие среди углеродистых соединений имеют разные типы шунгитовых пород. Нижнепротерозойский графитовый и среднепротерозойский шунгитовый углерод составляют полный и непрерывный ряд природных форм углерода, в котором преобладающими являются атомы углерода sp2-гибридизацией валентных электронов, причем глубина структурных превращений в углеродистом веществе определяется не только стратиграфическим положением пород. Большинство исследователей придерживаются мнения, что шунгиты являются продуктом метаморфизма углеводородов нефтяного ряда, об этом свидетельствует высокое содержание никеля (до 12%) и меньшее содержание ванадия, что является характерным для нефтяной золы.

По морфологии залежей и стратиграфическому положению в составе ятулия — суйсария выделяются два сочетания шунгитовых пород: а) нестратифицированные, слагающие жилы, гнезда, заполнения миндалин; б) стратифицированные, образующие пласты в осадочных и вулканогенно-осадочных породах.

Нестратифицированные шунгитовые породы — высокоуглеродистые образования. Содержание в них шунгитового вещества превышает 90%. В предлагаемой классификации за нестратифицированными шунгитовыми породами сохраняется название шунгитов I разновидности; термин, под которым они описывались в литературе ранее. Шунгиты I разновидности по расположению среди разновозрастных пород подразделяются на три группы.

Шунгиты группы I а слагают пластовые и секущие жилы различной мощности среди пород заонежской серии. Эти породы имеют черный цвет со смоляным, а иногда алмазным блеском. Цвет черты — черный. Твердость по Moocy — 3—3,5; плотность колеблется в пределах от 1,7 до 2,0 г/см3.

Шунгиты группы I б встречаются среди вулканогенно-осадочных пород суйсарской свиты. Морфология их залегания своеобразна. Это образования «лепешковидной» формы, вытянутые согласно слоистости и округлые или линзовидные в разрезе. По внешнему виду — цвету, блеску, твердости и черте — шунгиты этой группы мало отличаются от шунгитов группы Ia, но имеют большую плотность — 2,15—2,35 г/см3.

Шунгиты группы Ib — редко распространенные образования, встречающиеся в миндалинах мандельштейнов и в газовых пустотах шаровых лав порфиритов. В описанном В.М. Тимофеевым образце породы с таким шунгитом установлено 90—95 зон шунгитового вещества на 0,5 мм породы, чередующихся с халцедоновыми зонами. По данным того же автора, развитый в миндалинах и минеральных заполнениях шаровых лав шунгит тождествен по составу шунгиту группы I а.

Стратифицированные шунгитовые породы представлены первично вулканогенно-осадочными отложениями, образующими слоистые пачки и имеют площадное распространение и значительные мощности. Состав их образует заметные вариации. Прежде всего, эти породы изменяются по содержанию в них шунгитового вещества от долей до 80%. Считая эту характеристику одной из основных, мы положили в основу классификации деление стратифицированных шунгитовых пород на разновидности по содержанию углерода: II разновидность (С — более 35%); III разновидность (С — от 20 до 35%); IV разновидность (С — от 10 до 20%) и V разновидность (менее 10%). Другим признаком, учитываемым при разработке классификации, явился состав минеральной основы шунгитовых пород, которая может резко измениться при постоянном содержании шунгитового вещества. При реставрации первичного состава минеральной основы шунгитовых пород выявилось, что она составлена кремнистыми, первично глинистыми, пирокластическими и карбонатными компонентами. Шунгитовые породы с карбонатной основой слагают обособленные пласты, что позволяет выделить их в классификационной схеме как самостоятельную группу. В группе шунгитовых пород с силикатной основой удается выделить типы по различиям в содержании кварца и алюмосиликатов.

Взаимная связь пород с различным содержанием шунгитового вещества и изменяющимся составом силикатной части показана на тройной диаграмме углерод (С) — кварц (SiO2) — сложные силикаты (L), построенной на основе пересчета химических анализов разнообразных стратифицированных шунгитовых пород с силикатной основой (рис. 53). Здесь находит свое отражение разделение этих пород на разновидности по содержанию углерода (II, III, IV, V), а также по различному типу силикатной основы: высококремнистый — А, среднекремнистый — Б и малокремнистый — В. Таким образом, выделяются 12 групп пород, различающихся либо по содержанию углерода, либо по составу минеральной части. Литологическая характеристика этих групп пород дана в главе «Шунгитсодержащие толщи докембрия Карелии, их литологические особенности и условия формирования» настоящей монографии.

Положение фигуративных точек на диаграмме отражает связь между содержанием в породе шунгитового вещества, с одной стороны, и минеральным составом силикатной части, имеющей специфические первичные текстурно-структурные признаки породы, с другой. Среди шунгитовых пород не обнаружено таких, фигуративные точки которых лежали бы выше линии SiO2 — К. Вдоль и вблизи линии SiO2 — К лежат фигуративные точки хемогенных пород. Удельная поверхность первичных силикатных (алюмосиликатных) частиц хемогенных пород может быть принята некоторой постоянной величиной. В этом случае наблюдаемое увеличение содержания шунгитового вещества есть результат повышения концентрации в породе сложных силикатов (алюмосиликатов). Точка пересечения линии SiO2 — К со стороной треугольника С—L (сложные силикаты) указывает на максимальную концентрацию шунгитового вещества в первично осадочных породах, равную 78%. Для составов пород, фигуративные точки которых лежат на линии SiO2 — К, соотношение % углерода/% сложных силикатов равно 3,5, т. е. при максимальном насыщении породы шунгитовым веществом на 1 вес. % сложных силикатов приходится 3,5 вес. % шунгитового вещества. Это отношение, названное коэффициентом насыщения, не зависит от минерального вида сложного силиката. Породы, фигуративные точки которых лежат на линии SiО2 — К, могут иметь различный химический состав (табл. 55).

Наблюдаемое понижение содержания шунгита в породах с одинаковым отношением кварца и сложных силикатов сопровождается постепенным уменьшением доли хемогенного и увеличением доли терригенного либо пирокластического материала. Отмечается прямая пропорциональная связь между поверхностью первичных частиц сложных силикатов и содержанием шунгитового вещества в породе. Это позволяет предполагать адсорбционный механизм накопления углерода в породе. Активными адсорбентами материнского вещества шунгитов являются только сложные силикаты и алюмосиликаты.

Свободный кремнезем и карбонаты не обладали способностью сорбировать углеводороды и поэтому в кремнистых и карбонатных породах шунгитового вещества мало (2—5%). В некоторых случаях наблюдались отклонения от указанной зависимости, например, когда в карбонатных породах отмечалось повышенное (до 30%) содержание шунгитового вещества, или, наоборот, низкие концентрации его (до 3%) в породах с силикатной основой. Ho в этих случаях установлено воздействие метаморфизующих факторов, способствовавших миграции углерода.

Большое значение для понимания процессов метаморфизма осадочных пород имеет исследование структуры углерода. До последнего времени структура шунгитового вещества изучалась только на нестратифицированной I разновидности Шуньгского участка, и выводы, полученные в результате этих исследований, повлияли на объяснение структур шунгитового вещества пород всех разновидностей и групп.

Выполненные нами электронномикросколические и дериватографические исследования и расчеты по кинетическим параметрам процесса горения свидетельствуют о том, что шунгитовое вещество не имеет постоянных структурных характеристик. Так, шунгит группы Ia, отобранный из различных вмещающих пород, характеризуется широкими колебаниями значений степени кристалличности (8—22%) и разными морфоструктурами (рис. 54). Степень кристалличности шунгитового вещества I разновидности всегда ниже, чем шунгитового вещества пород, вмещающих эту разновидность. По-видимому, силикатная основа оказывает катализирующее действие на процесс структурной перестройки шунгитового вещества.

В некоторых карбонатных и кремнистых породах из шунгитсодержащих толщ обнаружены и описаны органические остатки. В тех образцах пород, в которых были обнаружены остатки организмов, с помощью электронномикроскопического исследования удалось зафиксировать изменение морфоструктуры шунгитовых частиц и существенное увеличение их размера (рис. 55а, б). Рассчитанная степень кристалличности шунгитового вещества образцов с органическими остатками всегда оказывалась значительно выше (44—50%), чем в образцах тех же пород, но без фауны (22—28%). Вероятно, биогенный фактор оказал влияние только на незначительную часть углеводородов.

В шунгитовых породах из отдельных участков (Максово) обнаруживается повышенное содержание гуминовых кислот, которые дают интенсивное окрашивание щелочей на холоде. Частицы шунгитового вещества из таких пород, как это видно при электронномикроскопическом изучении, имеют чешуйчатую форму в отличие от глобулярной формы шунгитовых частиц пород, аналогичных по составу и стратиграфическому положению, но не содержащих гуминовых кислот (рис. 55в, г). Рассчитанная степень кристалличности шунгитовых частиц чешуйчатой формы выше, чем у частиц глобулярной, соответственно 37 и 30%. Следовательно, морфоструктуры и степень кристалличности шунгитового вещества меняются в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды, в которой происходило формирование шунгитовых пород. Повышенной степенью кристалличности (40—50%) характеризуется шунгитовое вещество из зон экзоконтакта у интрузий габбро-диабазов, а наивысшей (45—80%) — шунгитовое вещество из зон тектонических разрывных нарушений. Здесь шунгитовое вещество чаще преобразуется в скрытокристаллический графит (район Кяппясельга). Таким образом, в целом собственно шунгиты характеризуются метастабильной структурой, причем степень кристалличности их (менее 50%) ниже, чем у скрытокристаллических графитов.

Проведенная типизация углеродистых пород с учетом геолого-тектонической позиции углеродсодержащих образований, состава и характера минеральной части, содержания и структуры углеродистого материал может составить основы для разработки их количественной классификации, что существенно не только в научном, но и в практическом отношении.