CC BY
144
ГЛИНИСТЫЕ МИНЕРАЛЫ В СОВРЕМЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ОЗ. БАЙКАЛ
Ольга Николаевна Злобина
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории седиментологии, тел. (383) 333-23-03, e-mail: Zlobina@ngs.ru
Освещаются результаты изучения состава, структуры и полиморфных модификаций глинистых минералов, слагающих донные осадки оз. Байкал. Установлено, что раннедиагенетическое преобразование глинистого вещества на участках вне зон влияния выходов углеводородов связано с процессами иллитизации смектита, унаследованными от обстановок дренажных систем. В областях высачивания углеводородов изменения протекают интенсивнее и глубже, за счёт широкого развития микробного сообщества окисляющего нефть или метан. Особенности метаболизма способствуют упорядочению структуры смектита через смешанослойные образования (иллит-смектит) к политипу 1М, а затем 2М1.
Ключевые слова: современные осадки берегового склона, полиморфные модификации глинистых минералов, органоминеральные композиции.
CLAY MINERALS IN RECENT SEDIMENTS OF LAKE BAIKAL
Olga N. Zlobina
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), Acad. Koptyug av., 3, Novosibirsk, 630090, Russia, Research scientist, Laboratory of sedimentology, PhD in Geology, tel. (383) 333-23-03, e-mail: Zlobina@ngs.ru
Studies of composition, structure, and polymorphs of clay minerals have been done for the bottom sediments of Lake Baikal. The early diagenetic conversion of clay materials in areas outside the zone of hydrocarbon seepage associated with the processes of the smectite illitization, inherited from the environments of drainage systems was found. Changes flow intensively and deeply through the extensive development of the microbial community oxidizing oil or methane in the areas of hydrocarbon seepage. Features of the metabolism contribute to the streamlining of the structure of a smectite througt mixed-layer minerals (illite-smectite) to the 1M polytype, and then 2Mi.
Key words: recent sediments of the coastal slope, polymorphs of clay minerals, organomineral compositions.
Объектом исследований в данной работе послужили современные отложения берегового склона оз. Байкал вблизи мысов Толстый и Горевой утёс. Детальное литологическое изучение проб, отобранных с поверхностного слоя дна на глубинах от 260 до 900 м, позволило выделить несколько типов пород. Первый характеризует фации склоновой седиментации, которая полностью контролируется стоком минеральных веществ с суши, это - илы светло-серые, коричневато-серые (в сухом состоянии) до темно-серых (в мокром)
крупнопелито-алевритовые кремнисто-глинистого состава. Второй тип представляет собой осадки, образующиеся в областях струйных выходов метана, это - илы коричнево-серые, коричневые (в сухом состоянии) и краснокоричневые (в мокром) пелито-алевритовые кремнисто-гидрогётит-глинистые, прослоями обогащённые марганцем. Третий тип наблюдается в зонах высачивания нефти, это - илы черные алеврито-пелитовые, пелито-алевритовые кремнисто-глинистые битуминозные. Подробная литолого-геохимическая характеристика первых двух типов пород приводилась автором ранее [1]. Материалы, изложенные далее, дополняют опубликованные результаты.
По данным рентгеноструктурного анализа в составе глинистого вещества отложений склоновой седиментации вне зон влияния выходов углеводородов (первый тип) присутствуют: слюда политипа 2М1 (30-35%), Fe-Mg хлорит (30%), каолинит (15%) и иллит-смектит вместе с разупорядоченным смектитом (20-25%). Микро- и ультрамикроскопические исследования не зафиксировали каких-либо существенных изменений минеральных компонентов. Обломки хлорит-гидрослюдистых сланцев часто хорошо окатаны, лентообразные чешуйки хлорита и изометричные пластинки мусковита слабо деформированы. Предполагается, что состав глинистых минералов почти полностью соответствует ассоциации источников сноса. Так, диоктаэдрическая слюда мусковитового политипа 2М1, которая, как правило, образуется в позднем катагензе из гидромусковита политипа 1 М за счёт упорядочения его структуры, в современных донных отложениях оз. Байкал вне сипов является аллотигенной. Соответственно, преимущественно триоктаэдрический Mg-Fe хлорит привнесён в область седиментации из полностью разрушенных обломков хлорит-гидрослюдистых сланцев. Достаточно высокое содержание данного минерала в осадках, при его низкой устойчивости к механическому истиранию в процессе переноса, свидетельствует о близости источников питания. Аутигенный генезис исключается, так как для образования триоктаэдрического хлорита необходимы восстановительные обстановки. Условия седиментации в оз. Байкал вне зон высачивания углеводородов соответствуют окисно-сидеритовой геохимической фации. По мнению многих исследователей в континентальных пресноводных обстановках устойчив также каолинит. При его транспортировке происходит разрушение глинистых обломков с тонкочешуйчатой структурой и расслоение пластинчатых агрегатов на микроблоки. Вероятно, этот глинистый минерал поступает в оз. Байкал из областей размыва мел-палеогеновых кор выветривания, сформировавшихся в условиях теплого и влажного климата. В их основании наряду с каолинитом зафиксированы диоктаэдрические смектиты (монтмориллонит). Значительно меньше в Прибайкалье распространены реликты неогеновой поверхности выравнивания, представленной монтмориллонит-гидрослюдистой корой выветривания. В работах, известных автору, метастабильные смешанослойные образования типа иллит-смектит в составе кор выветривания, обнажающихся в Прибайкалье, не определяются, преобладающим механизмом кристаллогенеза в них считается прямой синтез из раствора. По мнению ряда учёных, иллитизация смектита происходит в почвах, за счёт взаимодействия глинистого
и органического вещества [2]. При этом переход смектита в иллит может протекать как через промежуточные смешанослойные фазы, так и путём прямой иллитизации при любой температуре и определённых значениях Eh, которые зависят от типа биоценоза на стадии диагенеза [3]. Кринари Г.А. и Храмченков М.Г. рассмотрели возможность иллитизации без участия биоты и определили, что в объектах, где реализовался низкотемпературный процесс (не более 10°C), фиксируется совместное присутствие 1М, 2М1 и 2М2 политипов
[4]. Уайтхауз У.Г. и МакКартер Р.С. провели серию опытов, помещая различные глинистые минералы в искусственную морскую воду и наблюдая их изменения
[5]. Спустя 3,5 года (40-48 месяцев) исследователи зафиксировали появление иллита в монтмориллонитовом осадке. Полученные результаты показали, что степень диагенетических модификаций зависит от концентрации в воде ионов калия, магния и хлора, при малых количествах последнего (менее 7,2 г/кг) процесс если и протекает, то очень медленно.
Органическое вещество, по мнению Уайтхауза У.Г. и МакКартера Р.С., препятствует аутигенному минералобразованию или замедляет его. Это заключение подтверждается в работе Клубовой Т.Т. [6]. Исследователь
отмечает, что органическое вещество сорбированное глинистыми минералами повышает их устойчивость, даже в обстановке, резко отличающейся по физикохимическим параметрам от той в которой они могут существовать. Основываясь на этом утверждении можно предполагать, что в донных осадках оз. Байкал пропитанных нефтью (третий тип) в составе глинистых минералов отсутствуют аутигенные образования. Для получения достоверных данных рентгеноструктурный анализ валовых проб илов проводился дважды, до экстракции органического вещества и после неё. В результате, в составе глинистого вещества осадков из зоны высачивания нефти были установлены: слюда политипов 2М1 и 1М (следы) вместе составляющие 40-50%; Mg-Fe хлорит - 20-30%; каолинит - 5-10%; иллит-смектит и разупорядоченный смектит - 10-15%. По сравнению с породами, формирующимися в озере вне зон высачивания углеводородов, содержание метастабильной фазы (иллит-смектита вместе с разупорядоченным смектитом) снизилось почти в два раза. Полученные данные, следуя выводам Уайтхауза У. Г., МакКартера Р. С. и Клубовой Т.Т. о консервации глинистых минералов органическим веществом, можно было бы рассматривать как первичный состав илов, допуская, что иллитизация смектита произошла, главным образом, в дренажных системах (в почвах, болотах), т.е. до седиментации в оз. Байкал. В тоже время, в составе глинистых минералов значительно увеличивается доля слюды мусковитового типа с высокой степенью структурной упорядоченности (2М1), которая в рамках этой интерпретации может иметь только аллотигенную природу. Возвращаясь к составу глинистого вещества в илах, сформировавшихся вне сипов, становится неясным, за счёт каких процессов в них произошла деградация наиболее устойчивого политипа слюд. Температура в придонном слое оз. Байкал на глубинах больших 250 м изменяется в пределах 3-4°С, минерализация вод низкая - 96,8-97,15 мг/л, численность микроорганизмов различных
физиологических групп составляет всего несколько клеток на один миллилитр
[7].
Вероятно, полученные результаты следует интерпретировать иначе. Исходному составу илов в большей степени соответствуют отложения вне зон влияния выходов углеводородов. Раннедиагенетическое минералообразование в них протекает очень медленно и связано с процессами иллитизации смектита, которые имеют унаследованный характер от обстановок дренажных систем. В почвах минералы группы монтмориллонита, сформировавшиеся по материнским породам, взаимодействуют с разлагающимся органическим веществом и преобразуются в смешанослойные минералы. Согласно работам Кринари Г.А. и Храмченкова М.Г., процесс создания в осадках градиента окислительно-восстановительного потенциала имеет биологическую природу и приводит к физической необходимости замены лабильных пакетов смектита на стабильные пакеты слюды [3]. Исследователи считают, что биота за счёт биокосных разложений алюмосиликатов способна обеспечивать систему требуемой энергией. Однако необходимо учитывать, что биодеструкции подвергаются только поверхностные части минеральных зёрен, так как размеры микроорганизмов, осуществляющих этот процесс, в десятки раз превышают толщину межслоевого пространства. Опытным путём установлено, что в почвах в лабильных межслоевых промежутках смешанослойных минералов образуются органо-смектитовые композиции, устойчивые к окислительной деструкции [2]. Извлечение этих соединений возможно только электрокинетическим способом за счёт создания разности электрического потенциала [8]. Если при транспортировке частиц такие условия не возникают, то поступая в обстановку конечной седиментации, иллит-смектиты сохраняют весь межслоевой «запас», который препятствует дальнейшим преобразованиям глинистых минералов [9]. В условиях сезонного дефицита органоминеральных композиций, растворённых в воде и наиболее энергетически выгодных для питания биоты, эти соединения частично или полностью извлекаются из донных осадков микроорганизмами, способными создавать разность потенциалов. Таким образом, скорость иллитизации в пресноводных условиях зависит от востребованности сорбированного органического вещества. В морской воде, являющейся природным электролитом, эти процессы протекают значительно быстрее и с меньшими энергетическими затратами.
Установлено, что в очагах разгрузки нефтегазотермальных флюидов в оз. Байкал численность микроорганизмов в придонном слое увеличивается в 10100 раз за счёт культивируемого микробного сообщества окисляющего нефть или метан. Максимальные концентрации всех исследованных групп бактерий приурочены к поверхностному слою донных образований (0-20 см) [7]. Деградация органического вещества микроорганизмами происходит при непосредственном участии ферментов. Для поддержания ферментативной активности им необходимы различные макро и микроэлементы - фосфор, азот, железо, медь, молибден и др. Расширение популяции метилотрофов истощает элементный состав воды в пределах среды их обитания, поэтому возникает необходимость в использовании глинистого субстрата насыщенного
органоминеральными композициями. Таким образом, можно предполагать, что в зонах высачивания нефти метастабильные смешанослойные минералы преобразуются интенсивнее, и часть слюды мусковитового политипа 2М1 может иметь аутигенный генезис. Процесс протекает с постепенным упорядочиванием структуры от иллит-смектита к модификации 1М, а затем 2М1. Поэтому в осадке фиксируются все три фазы одновременно. По мере извлечения организмами катионов (необходимых для метаболизма) в глинистом веществе нарастает неуравновешенный отрицательный заряд, приходящийся на элементарную ячейку: от -0,65 в смектитовых пакетах до -1,50 в
гидромусковите (политип 1М) и -2,0 в мусковите (политип 2М1) [10]. По существу, реализуется процесс бактериального упорядочения структуры смектита через смешанослойные образования (иллит-смектит) к политипу 1М, а затем 2М1.
Аналогичные преобразования глинистых минералов происходят и в отложениях второго типа (из зоны выходов метана), но процесс упорядочивания, вероятно, протекает медленнее. Это отражается в минеральном составе: на долю слюды политипа 2М1 приходится 30-40% (меньше чем в осадках третьего типа, но немного больше чем в первом), количество иллит-смектита 5-15% (сопоставимо с третьим типом и значительно меньше первого). Содержание каолинита не более 5% (самое низкое). Mg-Fe хлорит, составляя 15-25%, подвергается активному биовыщелачиванию с выносом железа и кремнекислоты [1]. Присутствие метанотрофов способствует накоплению в среде седиментации положительно заряженных ионов водорода и образованию промежуточных перекисных соединений. В результате, большая часть железа, высвободившегося после бактериального выщелачивания, осаждается в виде глобул гидрогётита, а кремнекислота расходуется на образование хорошо окристаллизованных выделений вермикулита (5-15%).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Злобина О.Н., Москвин В.И., Хлыстов О.М. Аутигенное минералообразование в современных осадках оз. Байкал // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. -2011. - №4(8). - C. 48-56.
2. Шинкарёв А.А. Структурная и фазовая неоднородность органо-смектитов в природных объектах: Автореф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. - Москва, 2011. - 24 с.
3. Кринари Г.А., Храмченков М.Г. Иллитизация смектита как биокостный процесс // Докл. РАН. - 2005. - Т. 403. - № 5. - С. 664-669.
4. Кринари Г.А., Храмченков М.Г. Структурные преобразования в системе иллит-смектит как индикаторы процессов литогенеза // Материалы Российского совещания с международным участием «Минеральные индикаторы литогенеза». - Сыктывкар, 2011. - С. 4850.
5. Whitehouse U.W., McCarter R.S. Diagenetic modification of clay mineral types in artificial sea water // Clays and Clay Minerals. - 1956. - Vol. 5. - № 1. - P. 81-119.
6. Клубова Т.Т. Глинистые минералы и их роль в генезисе, миграции и аккумуляции нефти. - М.: Недра, 1973. - 256 с.
7. Павлова О.Н., Земская Т.И., Горшков А.Г., Косторнова Т.Я. Распределение микроорганизмов в воде и донных осадках в районах естественных нефтепроявлений озера Байкал // Материалы III международной научной конференции «Озерные экосистемы:
Биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды». - Минск-Нарочь, 2007. - С. 242-243.
8. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. - М.: Мир, 2006. -
504 с.
9. Rhoton F.E., Smeck N.E. Equilibration of clay in natural and simulated bottom-sediment environments // Clays and Clay Minerals. - 1981. - Vol. 29. - № 1. - P. 17-22.
10. Грим Р.Е. Минералогия глин. - М.: Издательство Иностранной литературы, 1956. -
454 с.
© О.Н. Злобина, 2012
