CC BY
2
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION NATURAL SCIENCE. 2024. No. 3
Научная статья УДК 549.905
doi: 10.18522/1026-2237-2024-3-63-70
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И ТИПОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕТРИТОВЫХ ЦИРКОНОВ СОСНОВСКОЙ ТОЛЩИ ПАЛЕОГЕНА (РУССКАЯ ПЛИТА)
Светлана Олеговна Зорина1^, Константин Игоревич Никашин2
12 Казанский федеральный университет, Казань, Республика Татарстан, Россия
1 svzorina@yandex. ruB
Аннотация. Сосновская толща, представленная стекольными кварцевыми песками, широко распространена в палеогеновых отложениях востока Русской плиты. Интерес к палеогеновым кварцевым пескам в России возрастает в связи с необходимостью прироста минерально-сырьевой базы стекольного сырья, которая в европейской части России практически полностью исчерпана. В последние годы комплексом современных минералого-геохимических методов обоснован инжектный механизм образования сосновских кварцевых песков, что позволит разработать новые подходы к прогнозированию песчаных залежей. Приведены результаты изучения морфологических и геохимических особенностей детритовых цирконов, экстрагированных из песков сосновской толщи палеогена и лукояновской свиты батского яруса средней юры - предполагаемого слоя - источника палеогеновых песчаных инжектитов. Установлено, что цирконы обеих толщ имеют сходную типологию по Пупену и происходят из магматических пород преимущественно основного, среднего, реже - кислого состава. В качестве наиболее вероятного источника цирконов предполагается Пучеж-Катункская эндогенная структура. Подтверждено, что батские лукояновские пески являются наиболее вероятным слоем-источником при инжектировании песков сос-новской толщи палеогена.
Ключевые слова: детритовые цирконы, морфологическая типизация, геохимия цирконов, сосновская толща, лукояновская свита, песчаный инжектит, палеоген, батский ярус, Русская плита
Для цитирования: Зорина С.О., Никашин К.И. Геохимические и типологические особенности детритовых цирконов сосновской толщи палеогена (Русская плита) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2024. № 3. С. 63-70.
Благодарности: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-2700070, https://rscf.ru/project/22-27-00070/.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Original article
GEOCHEMICAL AND TYPOLOGICAL PECULIARITIES OF DETRITAL ZIRCONS FROM THE PALEOGENE SOSNOV FORMATION
(RUSSIAN PLATFORM)
Svetlana О. Zorina1M, Konstantin I. Nikashin2
12 Kazan Federal University, Kazan, Republic of Tatarstan, Russia
1 svzorina@yandex. ruB
© Зорина С.О., Никашин К.И., 2024
Abstract. The Paleogene Sosnov Formation is represented by glass quartz sands which are widely occurred in the eastern part of the Russian Platform. Interest in Paleogene quartz sands in Russia is increasing due to the growing needs of the glass industry. But by now, the mineral resource base of glass raw materials in the European part of Russia is of almost complete exhaustion. In recent years, the comprehensive study using modern mineralogical and geochemical methods is undertaken resulting in substantiation of the injecting mechanism of formation of Sosnov quartz sands. The current paper presents the results of the study of morphologic and geochem-ical features of detrital zircons extracted from the sands of the Paleogene Sosnov Formation and the Bathonian Lukoyanov Formation. The latest can be proposed as a source layer for the Paleogene sand injectites. It has been determined that zircons from both strata are of the same Pupin"s morphological types and regarded to be originated from predominantly intermediate, mafic, and rarely felsic rocks. The Puchezh-Katunk endogenous structure is suggested to be the most probable source area. The assumption that the Bathonian Lukoyanov sandstones are the most probable source for the injection of the Paleogene sands is confirmed.
Keywords: detrital zircons, morphological typing, geochemistry of zircons, Sosnov Formation, Lukoyanov Formation, sand injectite, Paleogene, Bathonian, Russian Platform
For citation: Zorina S.O., Nikashin K.I. Geochemical and Typological Peculiarities of Detrital Zircons from the Paleogene Sosnov Formation (Russian Platform). Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2024;(3):63-70. (In Russ.).
Acknowledgments: the research is supported by the grant of the Russian Science Foundation (project No. 22-27-00070, https://rscf.ru/en/project/22-27-00070).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0).
Введение
Сосновская толща широко распространена в палеогеновых отложениях востока Русской плиты [1]. Она представлена мономинеральными кварцевыми песками с линзовидными конкрециями песчаников, имеет крайне неравномерную мощность (до 180 м) и является ценным источником стекольного и строительного сырья. В последние годы интерес к палеогеновым кварцевым пескам в России возрастает в связи с необходимостью прироста минерально-сырьевой базы стекольного сырья [2], что крайне затруднительно из-за ее практически полного исчерпания в европейской части страны. Сосновские кварцевые пески, отобранные в карьерах Восточно-Ташлинского и Кучуровского месторождений (рис. 1), были детально изучены комплексом современных минералого-геохимических методов, что позволило обосновать инжект-ный механизм их образования [3-5].
Рис. 1. Расположение рассматриваемых объектов на Google-картах: а - Пучеж-Катункской структуры; б - карьеров по добыче песков сосновской толщи палеогена / Fig. 1. Location of the study objects on Google maps: a - Puchezh-Katunk structure; b - sand quarries of the Paleogene Sosnov Formation
Минералогическим анализом установлено, что сосновские пески имеют мономинеральный кварцевый состав, содержание кварца в пробах составляет 93-100 %. Размер зерен изменяется от 0,02 до 12 мм. Обычно кварц водяно-прозрачный, матовый, иногда розовый, желтовато-бурый и бурый. В тяжелой фракции песков выявлены весовые содержания рутила, ильменита, лейкоксена, циркона, рудных минералов, второстепенную роль играют кианит, ставролит, хромит, турмалин, лейкоксен, силлиманит, гранат, брукит и гематит (рис. 2).
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения некоторых зерен тяжелых минералов сосновской толщи и их энергодисперсионные спектры: а - рутил; б - циркон; в - лейкоксен; г - силлиманит; д - турмалин I Fig. 1. Electron microscope images of some grains of heavy minerals from the Sosnov Formation and their energy-dispersion spectra: a - rutile; b - zircon; c - leucoxene; d - sillimanite; e - tourmaline
Изучение морфологических и геохимических особенностей детритовых цирконов, экстрагированных из сосновских песков, оказалось весьма информативным, так как позволило не только провести реконструкцию состава питающих провинций, но и выявить признаки типологического и геохимического сходства с цирконами лукояновской свиты батского яруса средней юры - предполагаемого слоя - источника палеогеновых инжектитов [3]. Первые результаты данного исследования приведены в данной работе.
Материалы и методы
Валовые пробы песков сосновской толщи, отобранные из карьеров Восточно-Ташлинского и Кучуровского месторождений кварцевых песков (Ульяновская область), и песков лукояновской свиты бата из обнажения в устье р. Кильна (Республика Татарстан) (рис. 1), были промыты с выделением тяжелой фракции. Проведен отбор монофракций цирконов с помощью магнитной сепарации и тяжелой жидкости ГПС-В (концентрированный водный раствор гетерополиволь-фрамата натрия) максимальной плотностью 3,00±0,05 г/мл. Для определения морфологии цирконов использовались электронно-микроскопические изображения минералов, полученные растровым электронным микроскопом FEI XL-30 ESEM (Phillips) со встроенным ЭДС-детектором фирмы EDAX (аналитик Б.М. Галиуллин) (рис. 2).
ISSN 1026-2237 BULLETINOFHIGHEREDUCATIONALINSTITUTIONS. NORTHCAUCASUSREGION. NATURAL SCIENCE. 2024. No. 3
Морфологические типы сосновских и лукояновских цирконов были определены в соответствии с типологической классификацией Пупена [6].
В 20 зернах сосновских и лукояновских цирконов методом ICP-MS с использованием изотопного масс-спектрометра iCAP Qc (Thermo Fisher Scientific) были определены концентрации редкоземельных элементов (РЗЭ), которые обработаны с применением дискриминантной диаграммы Y-Hf [7] для реконструкции возможного состава материнских пород.
Аналитические исследования выполнены в Центре геотермохронологии (руководитель Б.И. Гареев) и лабораториях Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ.
Результаты и обсуждение
Согласно типологической геотермометрической классификации Пупена [6], определенным температурным условиям кристаллизации магмы соответствуют определенные морфологические типы кристаллов цирконов. Предложенная этим автором типизация цирконов (рис. 3) основана на присутствии в кристалле простых форм (призм {100} и {010} и пирамид {101} и {211}) и их соотношении друг с другом. Каждому морфологическому типу соответствует пара индексов (I.A. и I.T.), определяющая его положение на диаграмме условий кристаллизации. Таким образом, анализируя морфологию цирконов, можно определить температурный режим кристаллизации.
Рис. 3. Типологическая классификация цирконов [6] / Fig. 3. Typological classification of zircons [6]
Типологическому анализу были подвергнуты выборки наименее окатанных детритовых цирконов (от 15 до 37 зерен) из двух проб сосновской толщи (Kuch-1 и Sm-2) и одной пробы лукояновской свиты (UK-7). Цирконы сосновской толщи отнесены к 11 морфологическим типам, лукояновской свиты - к 19 типам (рис. 3), причем зерна распределены крайне неравномерно.
Среди сосновских цирконов доминирующими оказались типы G1, P1 и Р2 (до 90 % зерен) (рис. 3, 4). Незначительное количество зерен (< 10 %) отнесено к типам L1, P3, P5, S1, S3, S6, S7, S12.
В песках лукояновской свиты преобладают цирконы типов G1, Р1, Р2, S1 и S2 (40-50 %) (рис. 3). В значительно меньших количествах встречены типы L1, L2, L4, P3, P4, S3, S6, S7, S8, S11, S12, S13, S17, S23, в сумме составляющие половину выборки.
При вынесении выявленных типов сосновских и лукояновских цирконов на дискриминант-ную диаграмму Пупена [6] (рис. 5) отчетливо просматривается, что большинство зерен обеих толщ относятся к трем общим типам (G1, P1, P2), что свидетельствует об идентичности их источника.
I.A.
100 200 300 400 500 600 700 800
© о о
© о о ©
© © о
О © о ©
о о
о
количество зерен цирконов
550°С 600°С 650°С 700°С 750°С 800°С 850°С 900°С
□ Цирконы сосновской Цирконы лукояновской
толщи vJ свиты
Рис. 4. Морфологические типы цирконов из песков сосновской толщи / Fig. 4. Morphologic types of zircons from sands of the Sosnov Formation
Рис. 5. Распределение цирконов сосновской толщи и лукояновской свиты на дискриминантной диаграмме Пупена [6] / Fig. 5. Distribution of zircons of the Sosnov and Lukoyanov Formations on the Pupin s discriminant diagram [6]
Концентрации РЗЭ и значения ТЬ/И в цирконах сосновской толщи и лукояновской свиты приведены в таблице.
Величина ТЬ/И в сосновских цирконах составляет 0,3-1, в лукояновских - 0,3-0,8 (таблица), что указывает на их магматический генезис [7]. При обработке концентраций РЗЭ использована дискриминантная диаграмма Y-Hf [8] (рис. 6), согласно которой большинство цирконов обеих толщ ассоциирует с основными и средними породами, меньшая часть - с кислыми и кварцсо-держащими средними породами.
Изученная выборка цирконов сосновской толщи и лукояновской свиты, таким образом, происходит из магматических пород преимущественно основного, среднего, реже - кислого
состава. В силу незначительной окатанности сосновских цирконов можно заключить, что они не были рециркулированы, и их источник расположен на незначительном расстоянии от области распространения сосновских песков. В качестве наиболее вероятного источника предполагается Пучеж-Катункская эндогенная структура, расположенная на востоке Русской плиты, в 380 км северо-западнее Восточно-Ташлинского и Кучуровского месторождений (рис. 1а). В строении этой сложной кольцевой структуры, как известно, выделяются диатремы и трубки взрыва, сложенные эксплозивными брекчиями, а также лавовые брекчии и базальты [9]. В батском веке средней юры, после завершения эксплозивной фазы активизации, Пучеж-Катункская структура подверглась, интенсивному размыву с образованием прибрежно-морских титан-циркониевых россыпей, приуроченных к базальным пескам лукояновской свиты среднего бата [10]. Примечательно, что лукояновские пески бата и сосновские пески палеогена имеют генетическое сходство по комплексу минералого-геохимических свойств [3], что позволяет обоснованно предполагать основание лукояновской свиты в качестве слоя -источника палеогеновых песчаных инжектитов Русской плиты.
Концентрации РЗЭ в цирконах сосновской толщи и лукояновской свиты, %о / REE concentrations in zircons of the Sosnov and Lukoyanov Formations, %o
Номер образца La Ce Pr Yb Lu Nb Hf Y Ta Th/U
01 0,17 10,66 0,09 378,25 4228,30 0,174 15510,92 1243,84 1,33 0,45
02 0,17 42,47 0,09 155,14 3034,41 0,174 11369,33 575,75 0,43 1,06
17 0,17 39,15 0,09 515,38 4676,32 8,890 16709,84 1541,17 4,13 0,51
^ 3 24 0,17 12,11 0,09 317,53 5196,55 0,174 19498,45 678,94 1,46 0,42
ч о н 37 0,17 72,25 0,09 282,47 4443,92 2,195 16444,07 734,90 2,33 0,78
w о 40 0,17 28,77 0,09 243,89 4450,28 0,174 16584,87 836,85 1,19 0,84
« о и 49 0,17 24,45 0,09 335,65 4981,33 1,637 18417,09 925,74 2,47 0,32
о О 63 0,17 40,57 0,09 295,65 4652,26 0,174 17458,48 711,34 0,94 0,54
80 0,17 6,78 0,09 218,89 3697,35 0,174 13570,89 700,83 0,77 0,31
90 0,17 8,92 0,39 413,95 3653,46 0,174 12994,44 1809,27 0,82 0,47
92 0,17 17,95 0,09 123,70 3469,87 0,174 13294,83 399,141 0,44 0,46
08 0,09 33,05 0,09 408,96 3384,52 1,96 12381,29 937,67 0,60 0,72
09 0,09 9,81 0,60 995,82 3232,04 4,22 10149,79 3727,88 1,67 0,51
л 15 0,09 21,07 0,24 459,37 3234,10 0,72 11650,41 1500,72 0,29 0,82
id « о 25 0,09 18,48 0,42 351,69 3028,57 0,56 10833,31 822,63 0,31 0,75
W 42 2,96 32,05 1,40 436,82 3233,63 0,83 11508,56 1350,73 0,51 0,68
« О и 45 0,09 3,73 0,16 631,06 3182,66 0,27 10735,24 1904,74 0,24 0,43
« Si 47 0,09 38,45 0,12 869,41 3800,48 4,26 12660,24 2116,12 1,12 0,29
57 0,09 16,27 0,09 252,02 3251,62 0,84 12251,65 677,83 0,40 0,43
67 0,09 10,05 0,09 501,98 3946,06 2,44 14182,41 1184,26 1,34 0,34
80 0,09 9,35 0,09 548,80 4237,67 0,40 15386,37 991,93 0,22 0,36
Рис. 6. Дискриминантная диаграмма Y-Hf [8] и распределение фигуративных точек цирконов из песков сосновской толщи и лукояновской свиты / Fig. 6. Y-Hf discriminant diagram [8] and distribution of zircons from the Sosnov and Lukoyanov sands
Проведенное изучение детритовых цирконов сосновской толщи палеогена и лукояновской свиты батского яруса средней юры показало, что преобладающее большинство изученных зерен обеих толщ имеет сходные типологические и геохимические свойства. Это указывает на их общий источник и подтверждает сделанное ранее предположение, что батские лукояновские пески следует считать наиболее вероятным слоем-источником при инжектировании палеогеновых сосновских песков.
Список источников
1. АхметьевМ.А., Шик С.М., Алексеев А.С. Унифицированная стратиграфическая схема палеогеновых отложений Поволжско-Прикаспийского субрегиона. М.: ВНИГНИ, 2015. 96 с.
2. Аксенов Е.М., Бирюлев Г.Н., Дистанов У.Г., Кандауров П.М. Минерально-сырьевая база стекольной промышленности России: состояние и перспективы развития // Стекло России. 2011. № 3. С. 24-26.
3. Афанасьева Н.И., Зорина С.О., Никашин К.И., Хамада Н. Песчаные интрузии в палеогеновых отложениях Ульяновско-Сызранского Поволжья (восток Русской плиты) // Изв. УГГУ. 2023. Вып. 1 (69). С. 46-56.
4. Зорина С.О., Никашин К.И., Афанасьева Н.И., Хамада Н. Микроструктуры на поверхности зерен кварца и происхождение палеогеновых песков Ульяновско-Сызранского Поволжья // Учен. зап. Казанского ун-та. Естеств. науки. 2023. Т. 165, кн. 2. С. 295-307.
5. Hamada N., Zorina S.O., Mohammad N. Quartz Grain Microtextures in the Paleogene Sosnov Formation: Implications for Sediment Provenance in the Eastern Russian Platform // News of the Ural State Mining University. 2023. № 4 (72). P. 7-18.
6. Pupin J.P. Zircon and granite petrology // Contrib. Mineral. Petrol. 1980. Vol. 73. P. 207-220.
7. Hartmann L.A., Santos J.O.S. Predominance of high Th/U, magmatic zircon in Brazilian Shield sandstones // J. Geol. 2004. Vol. 32(1). P. 73-76.
8. Belousova E.A., Griffin W.L., O'Reilly S.Y., Fisher N.I. Igneous zircon: trace element composition as an indicator of source rock type // Contrib. Mineral. Petrol. 2002. Vol. 143(5). P. 602-622.
9. Маракушев А.А., Панеях Н.А. Формирование алмазоносных взрывных кольцевых структур // Пространство и время. 2011. № 2 (4). С. 118-123.
10. Лаломов А.В., Бочнева А.А. Центральное, Лукояновское и Унечское месторождения цирконий-титановых песков как база для создания минерально-сырьевого центра и осуществления стратегии им-портозамещения России // Молодой ученый. 2020. № 2 (292). С. 333-340.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION NATURAL SCIENCE. 2024. No. 3
References
1. Akhmetiev M.A., Shik S.M., Alekseev A.S. Unified stratigraphie scheme of Paleogene deposits of the Volga-Pre-Caspian subregion. Moscow: Russian Geological Research and Petroleum Institute Press; 2015. 96 p. (In Russ.).
2. Aksenov E.M., Bhyulev G.N., Distanov U.G., Kandaurov P.M. Mineral raw material base of the glass industry of Russia: status and prospects of development. Steklo Rossii = Glass of Russia. 2011;(3):24-26. (In Russ.).
3. Afanasieva N.I., Zorina S.O., Nikashin K.I., Hamada N. Paleogene sand injectites of the Uljanovsk-Syzran Volga region (eastern Russian platform). Izv. UGGU = News of the Ural State Mining University. 2023;(1):46-56. (In Russ.).
4. Zorina S.O., Nikashin K.I., Afanasieva N.I., Hamada N. Surface microtextures of quartz grains and origin of the Paleogene sands in the Ulyanovsk-Syzran Volga region. Uchen. zap. Kazanskogo un-ta. Estestv. nauki. = Scientific Notes of the Kazan University. Natural Science. 2023;165(2):295-307. (In Russ.).
5. Hamada N., Zorina S.O., Mohammad N. Quartz Grain Microtextures in the Paleogene Sosnov Formation: Implications for Sediment Provenance in the Eastern Russian Platform. News of the Ural State Mining University. 2023;(4):7-18.
6. Pupin J.P. Zircon and granite petrology. Contrib. Mineral. Petrol. 1980;73:207-220.
7. Hartmann L.A., Santos J.O.S. Predominance of high Th/U, magmatic zircon in Brazilian Shield sandstones. J. Geol. 2004;32(1):73-76.
8. Belousova E.A., Griffin W.L., O'Reilly S.Y., Fisher N.I. Igneous zircon: trace element composition as an indicator of source rock type. Contrib. Mineral. Petrol. 2002;143(5):602-622.
9. Marakushev A.A., Paneyakh N.A. Formation of diamondiferous explosive ring structures. Prostranstvo i vremya = Space and Time. 2011;(2):118-123. (In Russ.).
10. Lalomov A.V., Bochneva A.A. Central, Lukoyanovskoye and Unechskoye deposits of zirconium-titanium sands as a base for the creation of mineral raw material center and implementation of the strategy of import substitution of Russia. Molodoi uchenyi = Young Scientis. 2020;(2):333-340. (In Russ.).
Информация об авторах
С. О. Зорина - доктор геолого-минералогических наук, профессор, доцент, Институт геологии и нефтегазовых технологий.
К.И. Никашин - аспирант, младший научный сотрудник, Институт геологии и нефтегазовых технологий. Information about the authors
S.O. Zorina - Doctor of Science (Geology and Mineralogy), Professor, Associate Professor, Institute of Geology and Petroleum Technologies.
K.I. Nikashin - Postgraduate Student, Junior Researcher, Institute of Geology and Petroleum Technologies.
Статья поступила в редакцию 05.03.2024; одобрена после рецензирования 19.04.2024; принята к публикации 04.07.2024. The article was submitted 05.03.2024; approved after reviewing 19.04.2024; accepted for publication 04.07.2024.
