Содержание к диссертации
Введение
1 Зауральская субпровинция опал-кристобалитовых пород 11
1.1 Краткая история изучения опал-кристобалитовых пород Зауралья и Западной Сибири 11
1.2 Положение опал-кристобалитовых пород в разрезе палеогеновых отложений Зауралья и Западной Сибири 14
1.2.1 Западно-Сибирская провинция опал-кристобалитовых пород 14
1.2.2 Региональная литостратиграфия 18
1.3 Закономерности размещения опал-кристобалитовых пород Зауралья и Западной Сибири 23
2 Объекты и методы исследований 31
2.1 Фактический материал 31
2.2 Инструментальные методы исследований 35
2.3 Методы обработки и интерпретации литологических и литохимических данных 37
3 Литолого-минералогический состав и физико-химические свойства опал кристобалитовых пород Зауралья 39
3.1 Общие сведения об опал-кристобалитовых породах 39
3.2 Петрографо-минералогические особенности опал-кристобалитовых пород Зауралья 47
3.3 Химический состав опал-кристобалитовых пород 63
3.4 Расчет литохимических модулей и фациальных индикаторов 65
3.5 Литологические индикаторы обстановок седиментации 69
4 Биогенное кремненакопление в морских бассейнах Западной Сибири в палеоцене и эоцене 77
4.1 Факторы биогенного кремненакопления в Западной Сибири 77
4.2 Стадии биогенного кремненакопления в Западной Сибири 85
4.3 Общие закономерности формирования опал-кристобалитовых пород в палеогене в Западной Сибири 96
Заключение 112
Список сокращений и условных обозначений 115
Список литературы 116
- Региональная литостратиграфия
- Петрографо-минералогические особенности опал-кристобалитовых пород Зауралья
- Литологические индикаторы обстановок седиментации
- Общие закономерности формирования опал-кристобалитовых пород в палеогене в Западной Сибири
Введение к работе
Актуальность исследования
Кремниевые опал-кристобалитовые породы (диатомиты, опоки, трепелы, диатомовые глины) широко представлены в кайнозойском осадочном чехле Западно-Сибирской плиты. Формирование пород связано с процессами седиментации в существовавшем на протяжении палеоцена–эоцена эпиконтинентальном морском бассейне, который сообщался с Арктикой и Тетисом, оказывал влияние на глобальную океаническую циркуляцию и климатические условия всего северного полушария. Это определяет огромный информационный потенциал опал-кристобалитовых пород (ОКП) Зауралья для реконструкции геологических событий не только в региональном, но и в глобальном масштабе.
В мире наблюдается непрерывный рост числа научно-исследовательских программ, посвященных изучению ОКП в различных аспектах: литологии и литохимии, микропалеонтологии и палеоальгологии, прикладной геологии и геологии полезных ископаемых. Актуальность исследований ОКП определяется информативностью для палеогеографических реконструкций в сочетании с широкими возможностями практического использования данных пород, а для Зауралья – еще и наличием крупной ресурсной базы.
Исследование ОКП представляет интерес в контексте детального изучения строения осадочного чехла юго-западной части Западной Сибири и Зауралья, а также с точки зрения определения основных черт динамики геологических и геоморфологических процессов данной территории в палеоцен-эоценовое время.
Потенциал ОКП Зауралья как источника ценной информации для
палеогеографических реконструкций не реализован в достаточной мере. Имеющиеся палеогеографические реконструкции палеоцен-эоценового времени базируются, главным образом, на изучении состава кремнескелетных организмов. Сведения о литологии, минералогии, петрографии и геохимии биокремнистых отложений имеют отрывочный характер, мало освещены в научной литературе и опираются на результаты исследований, выполненных в 70-80 гг. с соответствующим тому времени арсеналом лабораторных методов. Изучение пространственных границ бассейна биогенного кремненакопления в Зауралье и существовавших палеогеографических условий может стать основой для уточнения границ уже известных и локализации новых объектов для поисково-оценочных работ на опал-кристобалитовое сырье.
ОКП являются минеральным сырьем, востребованным в различных отраслях промышленности: химической, нефтегазовой, пищевой, строительных материалов и
сельском хозяйстве. Значительный набор полезных свойств (небольшая плотность, высокая пористость, низкая теплопроводность, химическая инертность, кислотостойкость, высокие огнеупорность и звукопоглощение, большая твердость слагающих породу частиц, слабая термическая и электрическая проводимость) и многообразие возможных областей применения определяют устойчивую тенденцию к увеличению спроса на данный вид сырья на мировом рынке. Запасы и качество ОКП Зауралья как сырья многоцелевого назначения, доступность залежей и их близость к крупным промышленным центрам, могут обеспечить развитие ряда отраслей промышленности всего Урало-Сибирского региона. В обозримом будущем по мере сокращения объемов производства по добыче и переработке традиционных видов минерального сырья, увеличение объемов и видов продукции из ОКП для нужд хозяйства страны может стать существенным фактором дальнейшего развития региона.
Степень разработанности проблемы
Начало изучения ОКП Зауралья и Западной Сибири как геологической формации
положено Т.И. Гуровой, В.П. Казариным и Ю.П. Казанским. Исследование основных
закономерностей распространения опал-кристобалитовых пород в Зауралье, вопросы
генезиса, результаты аналитических исследований вещественного состава, оценки
ресурсного потенциала и перспективы практического использования ОКП освещены в
работах А.П. Астапова, П.П. Генералова, У.Г. Дистанова, Л.А. Миняйло, И.И. Нестерова.
Физико-механические свойства и микроскопические особенности структур и текстур
диатомитов, опок, трепелов и диатомовых глин палеоцена-эоцена Зауралья исследовались
Б.Т. Трофимовым. Сведения о составе и условия формирования кремнистых формаций всей
Западной Сибири изложены И.Н. Ушатинским. Анализ отдельных аспектов
кремненакопления на рубеже палеоцена-эоцена содержится в работах Э.О. Амона, М.А. Ахметьева, В.Н. Беньямовского, Е.П. Бочкова, М.А. Дрознес, Т.В. Орешкиной, Э.П. Радионовой, Н.В. Рубиной, Л.А. Умовой, И.В. Хворовой, С.Б. Шацкого и др.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационного исследования являлось комплексное изучение
вещественного состава и условий формирования ОКП Зауралья; установление особенностей
литологического строения палеогеновых отложений и закономерностей их
пространственного распространения.
Основные задачи исследования:
-
Анализ литологического строения палеогеновых отложений с целью изучения закономерностей распространения ОКП и особенностей их седиментогенеза в Зауралье.
-
Определение особенностей минерального, химического и элементного составов ОКП, как для реконструкции физико-химических условий среды осадконакопления, так и в перспективе – для оценки возможных направлений использования.
-
Уточнение условий седиментогенеза ОКП на основании расчета и интерпретации значений литохимических модулей и фациальных индикаторов.
-
Определение факторов и стадийности биогенного кремненакопления в палеоцен-эоценовое время в Западной Сибири.
Научная новизна
-
Впервые определен микроэлементный состав ОКП Зауралья.
-
В соответствие с новейшими методиками обобщения и интерпретации литологических и литохимических данных (система литохимических модулей и фациальных индикаторов) впервые уточнены обстановки седиментации опал-кристобалитовых пород.
-
На основании выполненного анализа и систематизации данных составлены новые и дополнены палеогеографические схемы предыдущих исследователей, на которых выделены фациальные зоны, а также произведена реконструкция динамики бассейна; установлены факторы, контролировавшие эволюцию выявленных фациальных зон.
Теоретическая и практическая значимость работы
Образование значительных по площади распространения и мощности толщ биокремнистых пород (диатомитов, диатомовых глин, опок и трепелов), обусловленное благоприятной средой для формирования диатомовой флоры в огромном морском седиментационном бассейне, является одним из наиболее значимых этапов в геологической истории Западной Сибири и сопредельных регионов. В условиях преобладания биогенной кремнистой и терригенной седиментации и практически полного отсутствия карбонатного планктона изучение именно кремнистых микрофоссилий и биокремнистых пород серовской и ирбитской свит, является основным источником информации о процессах седиментации, протекавших в регионе в палеоцен-эоценовое время.
Методология и методы исследований
В основу диссертационной работы положены результаты исследований автора с 2014
по 2016 гг. В ходе полевых работ отобрано и изучено свыше 120 образцов ОКП. Пробы ОКП
были проанализированы с помощью современных инструментальных методик:
рентгеноструктурного анализа, рентгенофлуоресцентного анализа, инфракрасной
спектроскопии, масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, сканирующей
электронной микроскопии, литолого-петрографического анализа. Исследования
вещественного состава выполнены в Центре коллективного пользования многоэлементных и изотопных исследований на базе Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН), микроскопические исследования – на базе «Тюменский индустриальный университет» ООО «ЗападноСибирский геологический центр» (ООО «ЗапСибГЦ»).
Для уточнения генезиса ОКП использована система петрохимических
(литохимических) модулей Я.Э. Юдовича и М.П. Кетрис, а также методики интерпретации литологических данных, изложенные в работе А.В. Маслова. При написании диссертационной работы для расчета геохимических индексов и литохимических модулей использовались фондовые материалы по геолого-съемочным и поисково-разведочным работам на опал-кристобалитовое сырье (А.П. Астапов, П.П. Генералов, Д.Б. Костюк, И.И. Нестеров, Д.А. Миняйло, Л.А. Миняйло, А.И. Сидоренков и др.).
Теоретическая основа исследований в вопросах изучения основных закономерностей строения Зауральской субпровинции ОКП базируется на подходах У.Г. Дистанова; в части изучения особенностей вещественного состава ОКП – на работах А.П. Астапова, П.П. Генералова, У.Г. Дистанова, Л.А. Миняйло, И.И. Нестерова; в части изучения динамики развития морского Западно-Сибирского бассейна – на трудах М.А. Ахметьева, Г.Н. Александровой, Э.О. Амона, В.Н. Беньямовского, Т.В. Орешкиной, в части анализа эволюции и периодичности глобального биогенного кремненакопления – на работах J.A. Barron, D. Bukry, D.Z. Clark, J.T. Cope, F. Cordey, D.E. Penman, G. Racki, C.E. Stickey и др.
Под термином «Зауралье», вынесенном в заглавие диссертационной работы, понимается природная область, геологически расположенная в пределах Восточной мегазоны, где эта структура перекрыта осадочными образованиями чехла ЗападноСибирской плиты. Географически - эта территория, прилегающая к Восточному склону Урала в бассейнах р. Тобол и р. Обь. В рамках настоящей работы термин «Зауралье» и «Зауральская субпровинция опал-кристобалитовых пород» трактуются как синонимы. Палеогеографические условия формирования ОКП Зауралья показаны в контексте
формирования ОКП в пределах всей Западно-Сибирской плиты, так как факторы, определившие формирование биокремнистых отложений в пределах всего макрорегиона, определяли их формирование и в Зауралье.
Положения, выносимые на защиту
-
Установлено, что опал-кристобалитовые породы в пределах Зауралья в приповерхностном залегании формируют 4 литологически неоднородные зоны: Серовскую опоковую, Ирбит-Камышловскую диатомит-опоковую, Шадринскую диатомовых глин и Южноуральскую опоковую. Масштабы и конфигурация зон с одной стороны отражают региональные различия на этапах формирования пород, с другой – фиксируют границы, в пределах которых продуктивные толщи палеоцена-эоцена в неотектонический этап выведены на поверхность доплиоцен-четвертичного среза в составе региональных прибортовых моноклиналей.
-
Для опал-кристобалитовых пород Зауралья характерна высокая степень однородности по химическому и минеральному составу, а отдельные различия устанавливаются по микроэлементному составу. Наибольшие содержания элементов-примесей характерны для опал-кристобалитовых пород периферийных частей Зауральской субпровинции.
-
Обосновано, что биогенное кремненакопление в Западной Сибири проходило в четыре стадии: датскую, танетскую, ипрскую и ипр-лютетскую. Установлено, что основными причинами биогенного кремненакопления являлись обширные морские связи с бассейнами Мирового океана, апвеллинги и движения водных масс, наличие развитой гидрологической сети, благоприятный тектонический режим, обусловивший слабое терригенное разбавление осадков, а седиментогенез опал-кристобалитовых пород происходил в условиях отсутствия существенного влияния вулканических процессов на осадконакопление.
Личный вклад автора
Автором выполнены поисковые маршруты и отобрано свыше 120 образцов для
лабораторных исследований. Изучено свыше 70 шлифов, выполнено более 200
микрозондовых определений состава породообразующих минералов, получено и
интерпретировано более 300 изображений ОКП под растровым электронным микроскопом.
Для расчета геохимических модулей и литохимических модулей автором
проинтерпретировано свыше 1000 результатов химического состава ОКП Западной Сибири.
Анализ и систематизация данных по палеогеографии и комплексирование их с литологическими, минералогическими и геохимическими данными позволило автору установить стадийность биогенного кремненакопления и выделить основные факторы, контролировавшие эволюцию зон биогенного кремненакопления в Зауралье и Западной Сибири на протяжении от датского до лютетского веков.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов работы подтверждается значительным объемом изученного каменного материала, выполненных аналитических работ и интерпретацией более 1000 результатов химического состава пород, собственных и взятых из фондовых источников.
Результаты диссертационной работы и ее основные положения докладывались и
обсуждались на Международной конференции «Артика, Субарктика: мозаичность,
контрастность, вариативность криосферы» (02.07.2015-05.07.2015, г. Тюмень);
Всероссийской научно-практической конференции «Современные методы исследований в геологии» (10.4.2015-12.04.2015, г. Санкт-Петербург); International Student Congress & Career Expo «East meets West» (21.04.2013-24.05.2013, Краков, Польша); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии – нефтегазовому региону» (19.05.2015-20.05.2015, г. Тюмень); VII Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследований» (29.10.2015-30.10.2015, г. Екатеринбург); XX Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (04.04.2016-08.04.2016, г. Томск).
По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 6 статей в журналах перечня ВАК, 1 статья в российском журнале, 1 статья в зарубежном журнале и 1 тезисы конференции в научном сборнике.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, разделенных на параграфы, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы общим объемом 134 страницы. В работе содержится 32 рисунка и 16 таблиц. Список литературы включает 175 наименований.
Благодарности
Работа выполнена под руководством директора научно-образовательного центра «Геология нефти и газа» ФГБОУ ВО ТИУ, д.г.-м.н. профессора И.И. Нестерова, которому автор искренне признателен. Неоценимы советы и практическая помощь, которые оказали на различных этапах работы О.И. Дерягина, В.Т. Чернышев, А.А. Новоселов, А.О. Константинов, Е.Ю. Константинова, А.Н. Шадрин, А.Г. Малых. Автор выражает особую благодарность В.А. Нефедову за предоставление образцов диатомитов с Агиришского месторождения и Т.В. Орешкиной за ценные советы, обсуждение результатов и определение видового состава диатомовых водорослей.
Региональная литостратиграфия
В Зауралье и Западной Сибири к биокремнистым породам традиционно относят отложения серовской и ирбитской свит, а под морским кремненакоплением в Зауралье и Западной Сибири понимается формирование ОКП этих свит на рубеже палеоцена-эоцена.
Серовская свита сложена опоками, глинистыми опоками и опоковидными глинами (в зависимости от содержания глинистого материала) с характерным раковистым изломом, светло- и темно-серыми, часто алевритистыми; в опоках редко наблюдаются линзовидные скопления пирита. Глинистость растет вверх по разрезу и при движении от окраинных частей низменности к центру. На юго-западе равнины полный объем серовской свиты вскрыт в небольшом количестве пунктов. В районе Талицы, Камышлова, Ирбита, Шадринска серовская свита представлена опоками светло-серыми, реже серыми и темно-серыми, крепкими. Нередко в основании залегает кварц-глауконитовые песчаники, мелкозернистые с опоковым цементом. В районе г. Тюмень (Дербышинская, Ярская, Луговская площадь) серовская свита сложена опоками, с прослоями плотных алевристистых глин и глинисто-алевритовых диатомитов. В основании наблюдается чередование глин темно-серых, плотных, алевритистых, с прослоями серого и темно-серого песка [29]. На профиле Курган-Лебяжье большая часть объема серовской свиты представлена переслаиванием опок, опоковидных глин и глауконитовых неравнозернистых глауконитовых песчаников с опал-глинистым цементом. В породе в значительном количестве (до 20-25 %) присутствует окатанный, полуокатанный буровато-желтый, реже зеленый глауконит.
В шлифах опоки и опоковидные глины имеют аморфно-пелитовую структуру, сложены аморфным опалом и глинистым веществом. Иногда наблюдаются полурастворенные панцири диатомей. Примесь кластического материала невелика, его распределение неравномерно. Минералогическим анализом в легкой фракции пород определяется глобулярный опал, меньше кварц, полевые шпаты, меньше глауконит [19]. В тяжелой фракции распространен аутигенный пирит, меньше магнетит, циркон, титанистые минералы, непостоянно отмечаются гранат, эпидот, турмалин, сфен, рутил. Химический состав опок довольно однообразный.
С увеличением глинистой составляющей растет процент глинозема и уменьшается опала. Опоки и опоковидные глины крайне бедны органическими остатками. Диатомовые водоросли встречены только в верхней части свиты в прослоях диатомитов на сравнительно ограниченной территории севера ЗападноСибирской равнины (бассейн рек Пур, Надым, Казым, М. Атлым) и на восточном склоне Северного и Среднего Урала от бассейна р. Вогулки до бассейна Среднего Тобола [90]. Здесь выявлен палеоценовый комплекс с диатомеями Friceratium mirabile и силикофлагеллатами Dictyocha lamellifera.
Нижняя граница серовской свиты довольно хорошо отмечается на каротажных диаграммах [19]. По сравнению с сильно расчлененной кривой потенциала самопроизвольной поляризации (ПС) на уровне черных алевритовых глин талицкой свиты палеоцена против опок кривая ПС монотонна, со спадом в отрицательную сторону. Хорошо выделяется пачка опок и по данным гамма-каротажа: опокам соответствуют пониженные значения, особенно по сравнению с нижележащими глинами палеоцена [24].
Ирбитская свита представлена диатомитами, диатомовыми, реже трепеловидными и опоковидными глинами. Залегание толщи почти горизонтальное (региональные углы наклона исчисляются в минутах), породы не метаморфизованы. В большинстве наиболее полных разрезов Зауралья свита делится на две подсвиты – нижнюю и верхнюю.
Нижнеирбитская подсвита представлена в основном диатомитами, диатомовыми, реже трепеловидными и опоковидными глинами, иногда с прослоями кварцевых и глауконит-кварцевых алевролитов и песчаников. Диатомиты – светло-серые, часто с зеленоватым оттенком, в разной степени глинистые, иногда алевритистые, слюдистые, легкие, некрепкие, часто рыхлые и мучнистые. Глинистые разности более крепкие. Средняя мощность подсвиты 5-50 м. Мощность в Кузнецовской и Туринской скважинах составляет 65-75 м. По мере удаления от Урала мощность диатомитов сокращается до 20-25 м, за счет замещения их диатомовыми и опоковидными глинами. В направлении к центральной части плиты диатомиты полностью замещаются кремнистыми и опоковидными глинами (Уватская опорная скважина) [24]. На востоке Зауралья кровля свиты вскрывается скважинами на глубинах от 10 до 200 м под более молодыми отложениями.
В Зауралье (Ирбит, Камышлов, Талица, Шадринск) диатомиты вскрыты многочисленными скважинами, а также обнажаются в долинах рек Сосьва, Лозьва, Тура, Ница, Ирбит, Пышма, Миасс и др., а также в карьерах Ирбитского и Камышловского месторождений диатомитов. Содержание глинистого материала варьируется от знаков до 10-12 %. В районе г. Тюмень (Ярская опорная скважина) [82] нижнеирбитская подсвита представлена диатомитами зеленовато-серыми легкими, пористыми, переходящими вверх по разрезу в диатомиты и диатомовые глины. На север и запад вплоть до Урала преобладают диатомиты с хорошей сохранностью раковин диатомовых водорослей. Восточнее Туринска-Шадринска преобладающее развитие получают глинистые диатомиты. В южной части рассматриваемой территории, южнее широты Усть-Уя, диатомиты сменяются светлыми опоковидными глинами. Мощность горизонта достигает 200 м, глубина залегания – до 500-600 м. На севере и западе Западной-Сибирской равнины ОКП нижнеирбитского горизонта выходят на поверхности.
Диатомовые и трепеловидные глины макроскопически ничем не отличаются друг от друга и различаются только под микроскопом. Это светло-серые и серые породы, некрепкие (крошатся в руке), обычно с шероховатым землистым изломом. Диатомовые глины содержат большое количество обломков диатомей (40-50 %), в трепеловидных – они малочисленны и плохой сохранности, со следами диагенетических изменений. Содержание алевритового материала редко превышает 5 % в легкой фракции, в отличие от нижележащих опок, присутствует органогенный опал (7-100 %), иногда отмечается повышенное содержание глауконита, а кварца всегда больше, чем полевого шпата. Тяжелая фракция не отличается от таковой в опоках. В значительном количестве присутствуют аутигенный пирит, иногда повышается содержание магнетита, отмечаются титанистые и нерудные непрозрачные минералы, циркон, эпидот, рутил, турмалин.
Переход от опок и опоковидных глин серовской свиты к диатомитам нижнеирбитской свиты хорошо прослеживается на электрокаротажных диаграммах: против диатомитов наблюдается резкое отклонение кривой ПС в сторону отрицательных значений. Довольно четко диатомиты отбиваются по данным гамма-каротажа – им соответствуют наиболее низкие значения на кривой [19]. Верхнеирбитская подсвита представлена серыми, зеленовато-серыми диатомовыми и монмориллонит-бейделлитовыми глинами, глинистыми диатомитами и диатомитами. Диатомовые глины светло-серые неслоистые, часто алевристые, довольно крепкие, иногда слабо жирные. Отмечаются растительные остатки и ходы червей, заполненные алевритовым материалом. Под микроскопом основная масса породы сложена глинистым веществом, кремниевая органика составляет 30-40 % площади шлифа. При исследованиях минерального состава легкой и тяжелой фракций отмечены более низкое содержания опала и более высокое – глауконита, чем в нижнеирбитской подсвите. Толщины подсвиты составляет 10-150 м.
По направлению к востоку строение ирбитской свиты становится более однородным, однако содержание основных компонентов диатомитов – свободного кремнезема, глинистой и обломочной составляющих – существенно изменяется. Наблюдается возрастание содержания опалового кремнезема вниз по разрезу и одновременно с этим уменьшение глинистой части. При движении в центральные части равнины, как и для нижнеирбитской подсвиты, наблюдается глинизация разреза и замещение диатомитовых разностей опоковидными, границы между подсвитами здесь проводятся довольно условно, но тенденция трехчастности очевидна.
Глинистые диатомиты по литологическому составу близки к диатомитам нижнеирбитской свиты. Отличаются от последних увеличением содержания глинистого и алевритистого материала и несколько большим удельным весом. Из кремнескелетной органики встречаются те же группы организмов, что и в ниже лежащих диатомитов – диатомовые водоросли, радиолярии, спикулы губок.
Петрографо-минералогические особенности опал-кристобалитовых пород Зауралья
Диатомиты. Рентгенограммы всех диатомитов имеют идентичную конфигурацию, что свидетельствует о содержании одних и тех же минеральных фаз (рисунок 10).
Индикатрисы рассеяния рентгеновских лучей для дифрактограмм имеют типичный вид для диатомитов и практически идентичны друг другу: «аморфное гало» в виде широкого бесструктурного максимума в диапазоне углов 2 от 20 до 26о формируется опалом (таблица 4). Крупный пик в районе 27,9о указывает на присутствие плагиоклаза. Пики, идентифицирующие кварц, наблюдаются на всем промежутке углов 2 от 36 до 60о. Глинистые минералы из группы смектита определяются по максимумам межплоскостных расстояний d – 1, 502; 2,569; 4,48 и 14,7; каолинит – по максимуму d=7,23. Также присутствуют разупорядоченный смектит, малые примеси слюды, плагиоклаза, каолинита, следы калиевых полевых шпатов, возможно ярозита [103]. В образцах опок значительно доминирует кристобалит, присутствует малая примесь кварца, смектита, следы слюды, амфибола, плагиоклаза.
В инфракрасных спектрах всех образцов диатомитов (рисунок 11) наблюдается полосы, обусловленные валентными и деформационными колебаниями Si-O-Si связей и ОН групп. Характерными являются следующие полосы: интенсивная - около 1093-1100 см"1, слабая - 951 см"1, полосы 804 см"1, 550 см"1, 469 см"1, а также валентные и деформационные полосы ОН групп молекул воды - 3440, 1637 см"1. В областях -3540- 3550, 3640-3660 и 3720-3750 см"1 наблюдаются полосы одиночных и связанных водородными связями Si-OH групп.
Рассмотрим подробнее минеральный состав различных фракций диатомитов на примере диатомита Ирбитского месторождения (рисунок 12).
Крупные фракции сложены, главными образом, аморфным кремнеземом (таблицы 5 и 6), в мелких фракциях аморфная фаза присутствует незначительно (фракция 0,005-0,001 мм (таблица 7), 0,001 мм (таблица 8), а основными компонентами являются разупорядоченный смектит, кварц, слюды; отмечаются следы каолинита, плагиоклаза, калиевых полевых шпатов.
Во всех фракциях диатомита Ирбитского месторождения (рисунок 13) присутствуют кварц (дублет -780, 798 см–1 и полоса -695 см–1) и глинистые минералы - смектит (полоса валентных колебаний ОН-связей -3622 и 3695 см–1), слюда (полоса -3622 см–1) и каолинит (полосы -3622 и 3695 см–1) с небольшими вариациями в количественном соотношении. Различное количество кварца и глинистых минералов c с одной стороны определяет сдвиг полосы асимметричных валентных колебаний Si–O–Si-связей, с другой - форму полосы в области 400–600 см–1.
Размерность фаз, мм: Ф1 – 0,05–0,01; Ф2 – 0,01–0,005; Ф3 – 0,005–0,001; Ф4 – 0,001 мм Диатомовые глины. Минеральный состав диатомовых глин Шадринского месторождения несколько отличается от такового для диатомитов. По результатам рентгеноструктурного анализа диатомовых глин (рисунок 14) основным компонентом является опал и смектит, присутствуют кварц, слюда, каолинит, малая примесь плагиоклаза, ярозита, следы гипса (?), анатаза (?). Характерное опаловое (аморфное) гало выражено слабее, чем у чистых диатомитов [104]. Состав минеральных фаз приведен в таблице 9.
В инфракрасных спектрах диатомовых глин Шадринского месторождения наблюдается ряд полос, обусловленных валентными и деформационными колебаниями Si-O-Si связей и ОН групп (рисунок 15).
Сдвиг этой полосы (в сравнении с типичными диатомитами) обусловлен более значительным содержанием в породах смектита, каолинита, слюды. Опоки. В минеральном составе светлых и темных опок значительно доминирует кристобалит, присутствует малая примесь опала, кварца, смектита, следы слюды, амфибола, плагиоклаза (рисунок 16).
В опоках проявляются кварцевые (4,26; 3,345; 2,46, 2,2 ), кристобалитовые (4,1; 2,50 ) и тридимитовые (4,26; 2,50 ) рефлексы. Фазовый состав опок приведен в таблице 10.
Инфракрасные спектры образцов светлых и темных опок представлены на рисунке 17. Они отличаются от диатомита высоким содержанием кристобалита и (слабая полоса 695 см"1) и наличием тридимитового мотива (плечо -570см"1). Очень слабая полоса в области валентных колебаний ОН связей Si-OH групп см-1 зарегистрирована только для образцов светлых опок (рисунок 17, вставка сверху справа).
По данным литолого-петрографических исследований структура диатомитов биоморфная (рисунок 18), тонкозернистая, пелитоморфная. Диатомит обладает текстурой тонкой горизонтальной, биотурбационной. Последняя выражена нарушениями горизонтальной текстуры, присутствием вертикальных ходов роющих организмов, заполненных терригенным материалом, а также наличием обособленных округлых и овальных зерен, окрашенных в жёлтый цвет, по всей видимости, за счёт оксидов железа.
Диатомиты Агиришского, Ирбитского, Камышловского месторождений и разреза Брусяна практически идентичны по своему микростроению. Породы сложены до 85-95 % диатомовыми водорослями, с хорошей степенью сохранности. Их размер от 0,005 до 0,037х0,059 мм. Диатомовые глины Шадринского месторождения состоят из обломков и целых прозрачных створок со следами частичного растворения, с серыми и жёлтыми интерференционными окрасками, имеющие микрозернистое (микроглобулярное), чешуйчатое и волокнистое строение.
На терригенный материал приходится 5-7 % от площади шлифов, в диатомитах обнажения Брусяна – до 10 % (рисунок 19). Повсеместно терригенный материал представлен угловатыми, полуокатанными, изометричными и удлинёнными зёрнами кварца (значительно преобладают), полевыми шпатами размером от 0,005 до 0,076 мм, а также чешуйками гидрослюды. Терригенный материал неравномерно распределен в породе, что в значительной степени обусловлено жизнедеятельностью роющих организмов.
Диатомиты сцементированны аморфным опалом, имеющим обычно микроглобулярное строение. Количество цемента варьируется в довольно широких пределах, но содержание его в диатомитах достоверно установить не представляется возможным. Предполагается, что связующим (цементирующим) материалом служат очень мелкие, возможно, перетёртые обломки диатомовых водорослей (размер 0,001-0,005 мм и менее) с незначительной примесью глинистых минералов, а также аутигенный кремнезём. В цементе постоянно присутствует неравномерно распределенный глинистый материал. Содержание глинистых минералов не велико и представлены они чешуйками каолинита и хлорита. Так же в образцах содержится глауконит (рисунки 19 и 20), зёрна которого округлой формы зеленовато-желтого, жёлтого цвета, нередко с красноватым оттенком за счет микровключений оксидов железа. Встречаются зёрна с пустыми ничем не заполненными трещинами синерезиса. Размеры зёрен в поперечнике составляют от 0,013 до 0,073 мм. В диатомите Брусяна встречаются спикулы кремневых губок, осевые каналы, которых заполнены глауконитом (рисунок 20).
Литологические индикаторы обстановок седиментации
Для изученных ОКП характерна высокая степень однородности по химическому и минералогическому составу. Все породы содержат адсорбированную воду, что устанавливается по данным инфракрасной спектрометрии. Преимущественно глинистый состав и наиболее высокие содержания элементов-примесей характерны для фракции менее 0,005 мм, что показано на примере диатомита Ирбитского месторождения.
По соотношению SiO2: Al2O3: Fe2O3 породы исследованных месторождений образуют следующий ряд обнажений и месторождений: Брусяна, Ирбитское, Камышловское, Агиришское, Шадринское. По сумме CaO + MgO: Брусяна, Ирбитское, Агиришское, Камышловское, Шадринское.
Изученные ОКП близки по своему микроэлементному составу. Наибольшие содержания редкоземельных элементов характерны для периферийных частей субпровинции – диатомитов Агиришского месторождения и диатомовых глин Шадринского месторождения. Определены существенные превышения кларковых значений (кларк концентрации 2) [174]: для всех разностей изученных горных пород – для Cr, Eu, Tb; для всех пород, кроме темных опок – V; для диатомитов Камышловского и диатомовых глин Шадринского месторождений – Cu; для диатомитов Камышловского месторождения – Zn; для диатомитов Агиришского месторождения - Er; для диатомовых глин Шадринского месторождения – Sc. Также, устанавливаются различия в элементном составе между одновозрастными диатомитами (диатомитами ирбитской свиты) Агиришского, Ирбитского и Камышловского месторождений (рисунки 24 и 25).
Различия в микроэлементном составе с одной стороны между породами серовской и ирбитской свит, с другой – отличия между одновозрастными диатомитами ирбитской свиты, указывают на определенную региональную дифференциацию, что является закономерным для седиментационного бассейна таких размеров.
Из реакционноактивных форм кремнезема в диатомитах проявляются только кварцевые и опаловые рефлексы, в опоках - кварцевые, кристобалитовые и тридимитовые. Кристобалит и тридимит являются постседиментационными продуктами преобразования рентгеноаморфного опала. Таким образом, уровень литификации пород для диатомитов находится на границе подстадий позднего диагенеза - раннего протокатагенеза, для опок – на стадиях раннего протокатагенеза [99, 121-122]. Отмеченный при литолого-петрографических исследованиях аутигенный пирит является характерным для диатомитов и опок минералом постседиментационных изменений. Диатомовые водоросли определяют интенсивность окислительно-восстановительных процессов на дне. Являясь поставщиком питательных веществ для бентосных сообществ, диатомеи опосредованно способствуют развитию микровосстановительных условий вблизи раздела вода–дно, перераспределению рудных компонентов (прежде всего, Mn и Fe) с образованием гидротроилита, марказита-пирита, железо-марганцевых корок, макро- и микроконкреций [44]. Поэтому формирование пирита, является результатом первичных диагенетических преобразований в диатомитах на дне морского бассейна без доступа воздуха.
Рентгеноструктурное изучение ОКП, контролировавшееся литолого петрографическими исследованиями, устанавливается незначительное содержание каолинита. Каолиниты, будучи континентальными остаточными глинами и формирующимися в условиях влажного теплого климата и в кислой водной среде в конце процесса выветривания, с одной стороны характеризуют степень зрелости осадочного материала, с другой – в определенной мере показывают объем сноса материала в бассейн седиментации.
Незначительное содержание каолинита, равно как и присутствие единичных зерен акцессорных минералов (титанистые и нерудные минералы, циркон, эпидот, рутил, турмалин) служат аргументом в пользу того, что объем поступления обломочного материала с окружавшей седиментационный бассейн суши был сильно лимитирован. В темных опоках и диатомитах серовской свиты обращает на себя внимание одновременно высокие содержания глауконита и терригенного материала (в диатомитах ирбитской свиты обыкновенно 3-5 %, в породах разреза Брусяна – до 10-15 %). По всей видимости, начало трансгрессивных циклов, обусловившее активизацию или изменение характера биогенного кремненакопления на рубеже палеоцена и эоцена, сопровождалось мощным эрозионным врезом и сносом обломочного материала с прилегающих участков суши [105].
Интерпретация значений литохимических модулей и фациальных индикаторов также позволяет конкретизировать условия осадконакопления. Малые значения гидролизатного модуля и дублирующего его алюмокремниевого модуля указывает на малую степень изменения осадочного материала в областях размыва, малую зрелость и низкую степень химического выветривания осадочного материала. Положительная корреляция между гидролизатным и алюмокремниевым модулем (рисунок 26) индицирует незначительное количество пирогенного и вулканического материала в составе пород.
Аналогичные данные получены при интерпретации значений фемического модуля, величины которых для всех объектов, кроме диатомовых глин Шадринского месторождения, меньше 0,10. По абсолютным значениям индекса общей нормативной щелочности, который позволяет устанавливать присутствие в осадочных породах сильно камуфлированной пирокластики, породы относятся к низко- и нормально-щелочным (значения изменяются от 0,16-0,36). Присутствие в составе всех разностей пород цеолитов кальций-натриевого состава, которые по мнению ряда авторов [63, 120, 135] формируются в том числе при замещении кремниевых, но не вулканогенных матриц, подтверждает малое участие вулканических процессов в формировании ОКП региона.
Значения индикатора (Fe+Mn)/Ti для всех разностей пород варьируются в узких пределах и укладываются в интервал от 7,7 до 17. Эти предельные величины «фиксируются в осадках современных водоемов, в которых заведомо не поступали продукты вулканических извержений» [60]. Приведенные данные позволяют установить отсутствие существенного влияния вулканических процессов на осадконакопление.
Важно отметить, что ощутимой разницы в расчетных значениях литохимических модулей для всех разновидностей ОКП – диатомитов, диатомовых глин, опок и трепелов – не наблюдается: это справедливо и для разновозрастных пород серовский и ирбитской свит, и для объектов Зауральской и Северо-Тюменской субпровинций по отдельности, и для всех геологических объектов в целом. Это убедительно свидетельствует о существенном однообразии условий седиментации как по площади, так и по времени.
Вместе с тем, определенную локальную дифференциацию бассейна по глубинам и солености в пределах близкорасположенных участков седиментационного бассейна представляется возможным зафиксировать по изменению значений фациального индикатора Fe/Mn. Четко установлено, что одновозрастные породы с объектов, расположенных в крайней западной части субпровинции, характеризуются более высокими значениями фациального индикатора Fe/Mn. Значения индекса Fe/Mn для пород обнажения Белая Горка или Камышловского месторождения до 1,5 раз превышают аналогичные величины для одновозрастных диатомитов близкорасположенного Ирбитского месторождения, а расчетные индексы диатомитов и опок Килачевского месторождения демонстрируют превышения в 2-2,5 раза в сравнении с аналогичными объектами. Возрастание величины Fe/Mn в осадочном бассейне указывает на обмеление и опреснение бассейна. На общую пониженную соленость указывают также и низкие значения фациального индикатора палеосолености Sr/Ba.
Комплексирование данных по изменению значений фациального индикатора Fe/Mn для возрастного ряда пород (опоки – трепелы–диатомиты– диатомовые глины) с достоверно установленной по фауне периодизацией трансгрессивно-регрессивных циклов (см. гл. 4) свидетельствует о том, что масштабы опреснения седиментационного бассейна были крайне велики. Подобная ситуация, по всей видимости, определялась исключительно высокой ролью в осадконакоплении Полярного апвеллинга (менее соленого, чем воды Тетиса) и наличием мощных источников опреснения бассейна в виде развитой гидрологической сети. Наличие последней указывает на близость к береговой линии и, соответственно, позволяет в перспективе более точно определить границы седиментационного бассейна. На основании обобщения и систематизации данных приведенных в разделе можно утверждать, что формирование ОКП происходило в бассейне с довольно однообразными по площади и по времени геохимическими и физико географическими условиями без существенного влияния на осадконакопление вулканических процессов и лимитированном поступлении обломочного материала в седиментационный бассейн. Исключительно высокая роль в осадконакоплении принадлежала полярному апвелингу и развитой гидрологической сети. Полученные в гл. 3 результаты послужили основой для второго и третьего теоретического положения. Полученные данные в сочетании с уже имеющимися использованы для реконструкции процессов биогенного кремненакопления в палеоцене-эоцене (гл. 4).
Общие закономерности формирования опал-кристобалитовых пород в палеогене в Западной Сибири
Первыми исследователями биогенного кремненакопления в Западной Сибири [3, 43] в качестве основного источника кремнезема рассматривались мощные коры выветривания окружающей палеобассейн суши. Благоприятные условия дренажа и стока, вызванные незначительными поднятиями суши, способствовали усиленному привносу кремнезема из областей формирующихся кор выветривания в область седиментации. Образование коры выветривания, совпадавшее во времени с кремненакоплением в бассейнах, связывалось с распространением влажного тропического и субтропического климата на обширной территории. Другими исследователями [37, 45-46] отмечалось, что формирование значительных толщ ОКП в эпиконтинентальных бассейнах палеогена, к числу которых относится Западно-Сибирское море, происходило в периоды трансгрессии моря и относительного тектонического покоя. В.П. Казаринов [45-46] полагал, что палеоцен-эоценовая кремнистая формация Западной Сибири накапливалась в условиях весьма слабого тектонического оживления в областях депланации и более интенсивного прогибания в области седиментации, в условиях нарастающей трансгрессии и влажного, близкого к тропическому, климата. Н.М. Страхов [111] отмечал двоякость связи формирования кремневых отложений с влажным климатом и пассивным тектоническим режимом. По его мнению, в периоды пенепленизации происходило значительное увеличение насыщенности речных вод кремнекислотой, что привело к осаждению кремнезема в областях смешения речных и морских вод и стимуляции продукции кремневого планктона. В то же время, интенсивный привнос обломочного и глинистого материала реками в условиях тропического и субтропического климатов ограничивал формирование хорошо выдержанных толщ опаловых пород.
Изучение особенностей строения и формирования кремнистых формаций мезо-кайнозоя в эпиконтинентальных морях на основании современных данных позволяет предположить существование ряда закономерностей, характеризующих раннепалеогеновое кремненакопление в Западной Сибири. Наиболее вероятной причиной интенсивного развития кремнескелетных организмов в раннеталицкое, серовское и ирбитское время является апвеллинг и особенности океанической циркуляции северного полушария в рассматриваемый период [138, 153, 160]. Западные ветры умеренных широт и полярные восточные ветры способствовали перемещению значительных масс воды, которые охлаждались в высоких широтах и погружаясь на глубины, двигались вдоль континентальных склонов к экватору через Западно-Сибирский море-пролив. Насыщенные кислородом и биогенными элементами, холодные воды арктического апвеллинга (течения), равно как и проточность седиментационного бассейна, обуславливали высокий кислородный потенциал морской среды, создавая условия для развития массовых популяций кремнескелетных организмов. Кроме того, существование холодноводного апвеллинга или более устойчивой системы глубинных течений объясняет низкую интенсивность развития карбонатных организмов в данном морском бассейне.
Рассматриваемый в качестве основного источника кремнекислоты апвеллинг предполагает некоторую, часто незначительную по меркам геологического времени, продолжительность – сезон, год и т.д. Мощность ОКП в Зауралье и Западной Сибири указывает на существование в рассматриваемое время устойчивого меридионально-ориентированного течения. Одной из первых данная гипотеза была предложена И.В. Хворовой [123]: накопление кремнистой эоценовой толщи Западной Сибири и Зауралье обязано Северному Зауральскому (Приуральскому) течению. Холодноводность приуральского палеотечения, вероятно, была весьма относительной. Первые факты, указывающие на общую тепловодность бассейна приведены [11, 42] по результатам изучения комплекса радиолярий, имеющих миниатюрные скелеты с хорошо развитыми шипами, иглами, разветвленными радиальными отростками, и ажурностью. Отмечалось, что в отложениях часто встречаются скелеты в виде сильно расширенных к низу колпачков - обычно эти признаки характерны для радиолярий экваториальных морей. Позже эти сведения получили дополнительную аргументацию, в том числе и в работах зарубежных ученых [156].
Учитывая особенности формирования классического экмановского апвеллинга, который возникает на левом по отношению к течению берегу, логично предположить, что существовал двухсторонний водообмен между арктическим и тетическим бассейнами. Данное предположение подтверждается достоверно установленными инвазиями тепловодных диатомовых из тетического бассейна в западной (зауральской) части [32] в период климатического оптимума на границе палеоцена-эоцена. Передвижение бореальных водных масс в южном направлении трассируется по распространению одних и тех же комплексов кремневых микроорганизмов – радиолярий, диатомей и силикофлагеллят вдоль всего долготного морского пути.
В пределах территории Зауралья и всей Западной Сибири биогенное кремненакопление приурочено к зонам апвеллинга в краевых частях морского бассейна, либо на орографических поднятиях, где происходит активное перемешивание и подъем вод. Отдельными авторами [73-76, 163] отмечается, что образование очагов кремненакопления в окраинных бассейнах связано с трансгрессией и межбассейновым фракционированием придонных вод: водные массы пересекая положительные формы рельефа дна, поднимаются к поверхности. Существенное значение оказывали локальные прибрежные или приостровные апвеллинги. Высокая численность диатомей в ипрский век (от 45 до 60 млн. на 1 г породы) установлена Н.И. Стрельниковой [113-115] в Зауральской зоне, а также по всей северной периферии Западно-Сибирского моря-пролива. Для такого интенсивного развития диатомей необходимо повышенное содержание биофильного материала, формировавшегося при смешивании бореальных, суббореальных и субтетических водных масс, а также под действием береговых апвеллингов [8, 26-27, 73, 163].
Кремненакопление с рубежа палеоцена и эоцена до лютета определялось двумя одновременно действующими системами связей внутренних акваторий с открытыми океаническими бассейнами. Южная и восточная часть Западно Сибирской плиты находилась в зоне теплого южного течения, распространявшегося через Тургайский пролив вдоль ее восточного борта [85]. Под влиянием холодного течения из Арктики, проходившего на юг вдоль западного борта плиты, происходило накопление опок в палеоцене и диатомитов в эоцене.
Обширный морской бассейн характеризовался почти одинаковыми физико-географическими условиями кремненакопления. Выдержанность мощностей, преобладание тонкоотмученных глин свидетельствуют о выравнивании рельефа в областях сноса и осадконакопления в раннем эоцене, относительном затухании дифференцированных движений, на фоне которых продолжалось развитие конседиментационных структур. По мнению М.Я. Рудкевича [92-93], скорость прогибания не превышала 15-20 м за 1 млн. лет. Зоны максимальных мощностей в общих чертах повторяют рельеф депрессий юрско-мелового времени. Глубины люлинворского бассейна, исходя из анализа фауны, не превышали 200 м, а соленость была нормальной или слабосоленым. Береговая линия имела устойчивый характер: на западе она располагалась вблизи восточной окраины современного Урала. В максимум трансгрессии бассейн ингрессировал по депрессиям в пределы Уральской палеосуши и по проливам соединялся с Предуральским бассейном. Реликты мелководных осадков представлены песчанистыми диатомитами с прослоями опок, трепелов и песчаников. Восточная граница береговой линии отличалась большей подвижностью, перемещаясь с северо-запада на юго-восток. По всей видимости, максимум эоценовой трансгрессии здесь был несколько позже, чем на западе [85]. Относительно устойчивой была береговая линия на юге, протягиваясь южнее Павлодара и Петропавловская.
Наличие прослоев диатомитов и опок в отложениях нижнеталицкой подсвиты в Приуралье свидетельствует о формировании важнейших условий для биогенного кремненакопления еще в датском веке. Однако, широкому развитию этих процессов препятствовали ограниченные пространственно и по времени связи с морскими бассейнами Арктики и Тетиса, значительный снос терригенного материала вследствие тектонической активизации южных частей бассейна, а также эрозионный врез на западе, обусловленный началом трансгрессивного цикла.