Никульшин Александр Сергеевич
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
3.1 Методика исследований альбских отложений
Решение поставленной задачи по построению седиментологической модели осадконакопления в альбском эпиконтинентальном бассейне РП потребовало применения комплекса литологических (гранулометрический анализ и его генетическая интерпретация; рентгено-фазовый анализ глинистых минералов), минералогических (исследование терригенных минералов тяжелой фракции оптико-минералогическим и иммерсионным методами), статистических (применение метода корреляционных профилей) и других специальных (метод индексов прочности раковин аммонитов для оценки батиметрии бассейна) методов.
Гранулометрический анализ (ситование и обработка результатов) производился по стандартным методикам [Фролов, 1993] с использованием набора сит 0,1; 0,25; 0,5, 1, 2, 3, 5 мм.
Наиболее важным результатом гранулометрического анализа являлось проведение генетической интерпретации по методике [Buller, McManus, 1972; Tucker, 1989]. С учетом данных о медианном диаметре зерен (Md) и квартильной девиации (QDa), которая вычисляется по формуле:
QDa = 1/2 (P25 - P75), где P25 и P75 соответственно 1-ая и 3-я квартили,
возможно определить, под воздействием какого из основных определяющих факторов (ветра, течения, волн или тиховодной обстановки) накапливались отложения.
Глинистые минералы анализировались по стандартным методикам [Шлыков, 1991] для ориентированных препаратов. Рентгенофазовая съемка проводилась на аппаратах ДРОН-2 с медным анодом Геологического института РАН и Геологического факультета МГУ на кафедре литологии и морской геологии (несколько образцов продублированы на кобальтовом аноде на кафедре инженерной геологии МГУ). Обработка и подсчет - как вручную, так и с использованием компьютерного анализа, проводились в ГИН РАН и на Геологическом факультете МГУ. Выполнялся преимущественно полуколичественный анализ.
Основной целью изучения глинистых минералов являлось получение новых данных для обоснования палеогеографии бассейна и, в частности, положения его южной береговой линии.
Минералогические методы. Главные обломочные компоненты изучались в шлифах под микроскопом и в шлихах под бинокуляром. Анализировались количественный минералогический состав и морфология зерен.
Основное внимание было уделено исследованию терригенных минералов тяжелой фракции оптико-минералогическим [Лодочников, 1946, 1974] и иммерсионным методами [Фролов, 1993] для фракции 0,1-0,01 мм.
Разделение шлихов на фракции с использованием тяжелой жидкости (бромоформа) производилось Т.Д. Зеленовой (ГИН РАН).
Предварительно минеральный состав тяжелой фракции был оценен под бинокуляром. Благодаря высокой зрелости ассоциации минералов тяжелой фракции и ее стабильному составу было решено выбрать одну иммерсионную жидкость с показателем преломления 1,683 для анализа всех образцов [Коссовская, 1962; Фролов, 1993].
Из 65 исследованных образцов 43 проанализированы автором, а 22 образца анализировались в Аналитическом Сертификационном Испытательном Центре (АСИЦ ВИМС), где так же оптико-минералогическим методом был подсчитан минеральный состав.
Количественный минеральный анализ позволил выделить первые ассоциации минералов тяжелой фракции. Для их проверки и выделения более детальных ассоциаций применен статистический метод корреляционных профилей, описанный в работе Б.И. Смирнова [1981].
Для оценки батиметрии бассейна использовался метод индексов прочности раковин аммонитов Р.Хьюитта и Г.Вестерманна [Hewitt, Westermann, 1988; 1990], основанный на определении предельно допустимых значений давления столба воды, превышение которых приводит к разрушению раковин. Зависимость предельно допустимого давления от толщины стенки (h) и внутреннего радиуса сифона (R) определяется по формуле:
P = Si / [(R + h)2 / ((R + h)2 - R2)] при R / h < 10, Si = 30 МПа, R = D / 2,
а значение давления P - сифональный индекс прочности.
Измерения производились с помощью бинокуляра МБС - 9 на раковинах аммонитов уникальной сохранности ("пустотелых"), у которых сохранился сифон на одном или нескольких оборотах.
Глубина обитания аммонитов рассчитывалась исходя из двойного запаса прочности раковины. Максимальная глубина превосходит ее в два раза и равна P*2 [Барабошкин, Энсон, 2003; Барабошкин, Никульшин, 2006].
3.2 Особенности гранулометрии альбских отложений
Литологии альбских отложений РП посвящено много работ, начиная с описаний К.Ф. Рулье, И.Л. Фалька, А. Фаренколя, М. Языкова, продолжая литолого-стратиграфическими работами А.Д. Архангельского, С.А. Доброва, Н.Т. Зонова, А.Н. Мазаровича, Е. В. Милановского, С.Н. Никитина, А.П. Павлова, А.Н. Розанова, И. Синцова, литологическими и литолого-палеогеографическими и минералогическими работами В.В. Белоусова, Г.И. Бушинского, В.А. Гроссгейма, Т.Л. Дервиз, И.Д. Зхус, И.Г. и Н.Т. Сазоновых, Н.П. Хожаинова, и заканчивая современными литологическими и литолого-стратиграфическими работами А.С. Алексеева, Е.Ю. Барабошкина, В.К. Бартенева, А.Е. Звонарева, С.А. Коваля, С.В. Мануковского, А.И. Мизина, М.М. Москвина, А.Г. Олферьева, А.Д. Савко, В.И. Сиротина и других. Среди них не так много работ, в которых применяется полный гранулометрический анализ. Далеко не всегда приводится генетическая интерпретация гранулометрических данных, поэтому представляется актуальным переизучение гранулометрии опорных разрезов альба РП, обобщение ранее полученных данных и проведение их генетической интерпретации.
Отложения альбского возраста на РП представлены разнозернистыми кварцевыми, кварц-глауконитовыми песками с фосфоритовыми и кремнистыми конкрециями, а также алевритами и глинами с различным содержанием песчаной и алевритовой фракций. Такой состав изучаемых пород обусловил использование гранулометрического анализа в качестве одного из основных методов.
Главной задачей гранулометрического изучения пород являлось получение и анализ размерностных характеристик альбских отложений, и проведение на этой основе генетической интерпретации отложений. С помощью методики из работ [Buller, McManus, 1972; Tucker, 1989] песчаные породы удалось разделить на четыре генетических типа по преобладающему воздействию одного из основных факторов осадконакопления: ветра, течения, волн или тиховодной обстановки.
Ситовой обработке был подвергнут 91 образец из 10 опорных разрезов. Из них 10 образцов приходятся на верхний, 14 - на средний и 67 - на нижний альб. Такое распределение объясняется высокой глинистостью верхнеальбских отложений, гранулометрия которых оценивалась в шлифах, высокой конденсированностью и малой мощностью среднего альба. Гранулометрический анализ глин не проводился.
Кроме этого, из геологических отчетов [Ефимова, 1964; Смирнов, 1954; Хожаинов, 1967] и других литературных источников [Коваль, 2000] для проведения генетической интерпретации была использована сопоставимая информация о результатах гранулометрического анализа по 244 образцам из 39 разрезов. Они распределены по подъярусам следующим образом: нижний альб - 143, средний - 60, верхний - 41 образец.
В результате проведенных исследований установлено, что для альбских отложений РП в целом характерно утонение осадков с запада на восток и с юго-запада на северо-восток, а по разрезам - утонение осадков снизу вверх с ухудшением их сортировки, что соответствовало снижению гидродинамической активности.
Для альбских отложений юга Московской синеклизы и Рязано-Саратовского прогиба (кроме верхнеальбских отложений на его северной оконечности), нижнеальбских отложений Воронежской антеклизы и Ульяновско-Саратовского прогиба характерно возрастание размера зерен от подошвы каждого подъяруса к его кровле, что соответствовало периодическому усилению гидродинамической активности. Обратные закономерности отмечены для верхнего альба севера Рязано-Саратовского прогиба, среднего и верхнего альба Ульяновско-Саратовского прогиба. Первая группа принадлежит к более мелководной области осадконакопления, вторая - к относительно более глубоководной.
Генетическая интерпретация гранулометрических данных, с учетом интерпретации текстур пород, позволила выделить для раннего, среднего и позднего альба области с раздельным или совместным влиянием таких факторов, как течения, волнение, тиховодная обстановка, а также выявить районы с присутствием эолового материала.
Для раннего альба обстановки распределены следующим образом.
На южной и юго-западной окраинах бассейна РП господствовали обстановки течений юго-восточного направления с отдельными областями повышенной волновой активности, приуроченными к предполагаемым подводным поднятиям. Однонаправленная косая слоистость северо-восточного направления подтверждает присутствие речной системы на юге бассейна РП.
На юго-восточной окраине бассейна РП располагалась большая область, обогащенная эоловым материалом, поступавшим, вероятно, с юга - из районов Воронежской антеклизы и Донбасса. И здесь волновые обстановки сменялись к концу раннего альба обстановками с преобладанием воздействия течения юго-восточного направления и постепенным возрастанием гидродинамической активности. Та же закономерность отмечается и для центральных частей бассейна: волновую активность к концу раннего альба сменяет преобладание влияния северо-западных течений. На северо-востоке обстановки с преобладанием волнения сменяются относительно тиховодной обстановкой с постепенным усилением гидродинамической активности к концу раннего альба. На юго-востоке существовала авандельтовая обстановка, предполагаемая по сочетанию косослоистых текстур течений, биотурбаций ихнофации Scolithos и редкости морской фауны. Она сменялась со временем мелководно-морской обстановкой с преобладанием волновой активности.
Таким образом, практически на всей РП существовавшая в начале мелководно-морская обстановка с преобладанием волнения сменяется мелководно-морской обстановкой с преобладанием течения южного и юго-восточного направления, наиболее активно проявленного вдоль западного побережья раннеальбского моря РП.
В среднем альбе на севере и юге бассейна господствует переменная по активности преимущественно волновая обстановка. В центре и на юго-восточной окраине основное влияние на обстановку осадконакопления оказывали течения северо-западного направления. На северо-востоке, как и в раннем альбе, существовала преимущественно тиховодная обстановка с редким проявлением течений и волнений низкой гидродинамики.
К среднему альбу течение юго-западного направления, господствовавшее с середины раннего альба, затихает, и лишь на юго-востоке РП отмечается влияние юго-восточного течения, направленного из района Прикаспийской синеклизы на юго-запад среднеальбского моря РП. На всей остальной территории РП господствовали мелководно-морские обстановки с преобладанием волнения. Наиболее тиховодные обстановки все также отмечаются на северо-востоке бассейна. Дефицит терригенного материала, возникший вследствие повышения уровня моря, привел к формированию конденсированных разрезов с многочисленными горизонтами переотложенных конкреций фосфоритов.
В позднем альбе на севере бассейна существовала тиховодная обстановка с постепенным возрастанием со временем преимущественно волновой гидродинамической активности. Тиховодная обстановка в центре и на юго-востоке бассейна имеет обратную тенденцию к снижению гидродинамической активности к концу позднего альба. Южные окраины бассейна характеризуются переменной средней и слабой, с постепенным усилением к концу позднего альба, гидродинамической активностью. Юго-восточные области, характеризующиеся немногим менее активной волновой гидродинамикой, имеют обратную закономерность (убывание гидродинамической активности к концу позднего альба).
Таким образом, к позднему альбу на севере эпиконтинентального морского бассейна РП устанавливается тиховодная обстановка осадконакопления, редко нарушаемая лишь штормами, а на юге преобладают обстановки средней и слабой гидродинамической активности (преимущественно волновой). В целом, бассейн становится более тиховодным с меньшей изменчивостью обстановок осадконакопления.
3.3 Глинистые минералы альбских отложений
Работ, посвященных глинистым минералам альбских отложений РП, не много [Бушинский, 1954; Зайнуллин, 1971; Петрова, 1959; Зхус, 1957; Савко, 1988, 2001 и др.], а обобщающие работы отсутствуют.
Изучение глинистых минералов рентгено-фазовым методом проводилось автором как для глинистых, так и для песчано-глинистых и песчаных пород для 49 образцов из 5 опорных разрезов. Также привлекались сопоставимые данные о составе глинистых минералов из геологических отчетов и открытых литературных источников.
Основными целями изучения глинистых минералов являлись:
выявление закономерностей распределения глинистых минералов по площади и по разрезам в альбских отложениях РП;
генетическая интерпретация этих закономерностей и использование результатов для уточнения палеогеографической модели альбского морского эпиконтинентального бассейна РП.
Была выявлена следующая закономерность распределения глинистых минералов. Каолинитовые и каолинит-гидрослюдистые ассоциации располагаются на юге - на окраине Воронежской антеклизы, ближе к береговой линии и вероятно охватывали области континентального осадконакопления. Отдельные области, с такой же ассоциацией глинистых минералов располагаются по оси Воронежской антеклизы и вероятно маркируют цепочку подводных поднятий.
При удалении на север вглубь акватории pH осадка повышалось, а количество поступающего с суши каолинита уменьшалось. Тот же каолинит, который привносился в эту область бассейна преобразовывался в гидрослюду и монтмориллонит - формировалась в центральной части каолинит-гидрослюдисто-монтмориллонитовая ассоциация.
В относительно глубоководной и максимально удаленной от береговой линии обстановке с более высоким значением pH в осадке происходило образование цеолитов - гейландит-гидрослюдисто-монтмориллонитовая ассоциация. Она характерна практически для всей площади бассейна за исключением южной окраины.
Также установлено, что распределение цеолита в альбских породах коррелируется с содержанием радиолярий. Биогенный опал, образовавшийся при растворении раковин радиолярий (его присутствие установлено в разрезе нижнего альба у д. Ворона с помощью рентгено-фазового метода), является более предпочтительным для образования цеолитов, чем кварцевые зерна из алевритов и алевро-пелитов.
Вверх по разрезам возрастает содержание монтмориллонита и гидрослюд. Каолинит убывает от раннего к позднему альбу практически во всех областях РП.
Такая закономерность хорошо вписывается в общую трансгрессивную модель развития эпиконтинентального альбского бассейна РП, который к позднему альбу достиг максимальной глубины и стал мелководным пелагическим морем с незначительным привносом терригенного материала.
3.4 Минералогические особенности альбских отложений
Работ по терригенной минералогии альбских отложений РП не так много [Ахлестина, 1960; Беляев, 1999, 2000; Бушинский, 1954; Вистелиус, 1954; Геращенко, 1969, 1972; Гроссгейм, 1972; Дервиз, 1951, 1959; Звонарев, 2003; Зхус, 1957; Кузнецов, 1992; Лаврова, 1963; Савко, 2001; Сазонова, 1958; Сиротин, 2005; Хожаинов, 1982, и др.].
Среди наиболее важных обобщающих работ выделяется работа В.А. Гроссгейма [1972]. В ней одним из основных результатов является выделение минералогических провинций для мезо-кайнозоя Восточно-Европейской платформы и ее складчатого обрамления, в том числе 22 провинций для альба, а также уточнение источников сноса для каждой из них. Названия провинций, предложенные В.А. Гроссгеймом, используются в данной работе.
Недостатком этой работы для современного использования является слабый стратиграфический контроль анализируемых данных, и недостаточная (даже на тот момент) разработка стратиграфии нижнего мела РП. Таким образом, построение новой минералогической модели является в настоящий момент весьма актуальным.
При изучении терригенных альбских отложений центральной части РП были отмечены незначительные вариации содержаний, как по площади, так и по разрезам, главных обломочных компонентов, в отличие от второстепенных - терригенных минералов (ТМ) тяжелой фракции. Последние, как показали исследования, являются более чуткими индикаторами как питающих провинций, так и обстановок осадконакопления. Поэтому в данной работе минералогические исследования посвящены главным образом терригенным минералам тяжелой фракции, закономерностям их распределения для раннего, среднего и позднего альба, источникам их поступления, способам и направлению транспортировки, закономерностям изменения их содержания во времени.
Из основных терригенных компонентов преобладающими являются кварц и аллотигенный глауконит (мономиктовые кварцевые и олигомиктовые кварц-глауконитовые пески). В меньшем количестве постоянно встречаются слюды (как биотит так и мусковит), плагиоклазы и микроклин.
Для изучения тяжелой фракции ТМ иммерсионным методом автором было отобрано 87 образцов из 13 опорных разрезов альба из разных структур РП, а также привлечены сопоставимые данные иммерсионного анализа из геологических отчетов и открытых литературных источников по 450 образцам из 88 скважин и обнажений, достаточно равномерно расположенных на территории центра и юга РП. Стратиграфически образцы распределены следующим образом.
Оригинальные данные: 60 образцов из нижнего альба, 22 - из среднего и 5 из верхнего.
Данные из литературных источников: 212 образцов - из нижнего альба, 111 из среднего и 127 из верхнего.
Всего определено 49 минералов, из которых в пробах постоянно присутствуют 14: ильменит, циркон, рутил, гранат, ставролит, дистен, турмалин, эпидот, минералы группы амфибола, лейкоксен, минералы группы пироксена, силлиманит, апатит, сфен. Они составляют в среднем около 94% от тяжелой фракции. Такой набор минералов говорит о весьма высокой зрелости альбских отложений.
Исследование ТМ тяжелой фракции осуществлялось в четыре этапа. На первом этапе проведен количественный минералогический анализ и оценены его результаты для каждого из 13 основных минералов (за исключением лейкоксена) с построением карт распределения для раннего, среднего и позднего альба.
На втором этапе выделены наиболее устойчивые ТМ ассоциации для всех изученных альбских отложений РП и приведена их характеристика.
На третьем этапе минералы были сгруппированы в три ассоциации по трем основным петротипам: гранитоидному, базитовому и метаморфическому [Бергер, 1986] и оценено их распределение для раннего, среднего и позднего альба. Выделение четвертого, осадочного, петротипа не проводилось для оригинальных данных, и в большинстве литературных источников. Поскольку высокая зрелость альбских пород свидетельствует о значительном участии в их формировании именно осадочных петрофондов, изучение ассоциаций трех петротипов может не выявить все основные закономерности распределения ТМ тяжелой фракции.
Для того чтобы выявить истинные ассоциации ТМ, на четвертом этапе применялся широко распространенный в терригенной минералогии статистический метод - метод корреляционных профилей [Смирнов, 1981]. Анализ ассоциаций, выделенных этим методом, вместе с комплексной ТМ характеристикой изученных районов, позволил перейти к выделению ТМ провинций в раннем, среднем и позднем альбе РП. Таким образом, удалось уточнить минералогическую модель, предложенную В.А. Гроссгеймом, а в результате интерпретации распределения ТМ провинций удалось подтвердить и детализировать палеогеографическую модель Е.Ю. Барабошкина.
Установлено 3 этапа в распределении терригенных минералов тяжелой фракции, совпадающих с ранним, средним и поздним альбом:
На большей части бассейна РП в раннем альбе преобладает материал из северного источника (Балтийский щит) (Рис. 1), чему способствовало северное течение. Материал южного петрофонда далеко на север не поступал и его распространение ограничено Днепрово-Донской и Волго-Донской провинциями. В центральной части бассейна, в Средневолжской провинции смешивался материал всех основных источников. При преобладающем влиянии северного источника, в южной части провинции появляется материал, поступающий с Донбасса и Украинского щита, на востоке сказывается влияние Урала.
Пограничная область Волго-Донской и Новоузеньской провинций совпадает с зоной уменьшения энергии северного течения встречающего южные тетические водные массы. В этой зоне, а также восточнее, отмечаются максимумы сфена, граната, эпидота, минералов группы амфибола, поступающих, по всей вероятности, с юго-востока (Урал, Мугоджары).
Волго-Донская провинция располагалась в районе дельтовой платформы и характеризуется максимумами содержания турмалина, ильменита, граната, дистена, ставролита и минералов группы амфибола, основным источником для которых являлся, вероятно, Донбасс.
С закрытием Мезенско-Печерского пролива и исчезновением в среднем альбе северного течения расположение и характеристики ТМ провинций меняются (Рис. 1). Самой крупной остается Московская; Днепрово-Донецкая, Средневолжская и Волго-Донская провинции уменьшаются и, с расширением площади альбского моря, отступают вслед за его берегами от центра бассейна. Новоузеньская провинция, напротив, под влиянием южного течения перемещается к северо-западу. Минералогические характеристики провинций изменяются мало. Главным образом, сказывается уменьшение роли северной метаморфической ассоциации. Наиболее яркие изменения отмечаются в Новоузеньской провинции, где основным минералом со среднего альба становится ильменит (65-80%), поступающий с юго-востока с новым южным течением.
Картина распределения ТМ провинций в позднем альбе менее достоверна, из-за небольшого количества данных. Достаточно точно удалось определить лишь Средневолжскую и Новоузеньскую провинции (Рис. 1). Они остались в своих среднеальбских границах и характеризуются сходным набором минералов и ТМ ассоциациями.
Таким образом, основные изменения в расположении и характеристиках питающих провинций произошли в среднем альбе, что соответствует структурной перестройке бассейна и переориентировке его оси с меридиональной на широтную, что подтверждает палеогеографическую модель Е.Ю. Барабошкина.
| 