Научная статья на тему 'Литологические и геохимические исследования осадочных формаций'

Литологические и геохимические исследования осадочных формаций Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
213
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Литологические и геохимические исследования осадочных формаций»

К 50-летию Института геологии

ЛИТОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ФОРМАЦИЙ

Д. г.-м. н.

А. И. Елисеев

Д. г.-м. н.

Я. Э. Юдович

yudovich@geo.komisc.ru

Д. г.-м. н.

А. И. Антошкина

К. г.-м. н.

В. А. Салдин

К. г.-м. н.

И. В. Козырева

Начало литологических исследований в стенах нашего института связано с работами А. А. Чернова и его учеников в 20—30-е гг. XX века. В то время геологи, изучавшие осадочные породы комплексно, не разделяли исследования отдельно по стратиграфии, литологии и тектонике. Обособление литологических исследований в Институте геологии произошло в конце 1960-х гг., когда была организована лаборатория региональной геологии и тектоники под руководством А. И. Елисеева, в которой была поставлена тема «Литология и геохимия палеозойских отложений восточных районов Тимано-Печорской провинции». В 1973 г. была сформирована отдельная лаборатория литологии и осадочного рудогенеза под руководством В. И. Чалышева. В связи с кончиной В. И. Чалышева, в 1975 г. исполняющим обязанности руководителя лабораторией был назначен В. В. Беляев, а в 1976 г. по конкурсу на должность заведующего был избран А. И. Елисеев, который бессменно возглавлял лабораторию в течение двадцати лет. Разработанное А. И. Елисеевым формационное направление исследований осадочных пород определило переименование этой лаборатории в конце 1980-х гг. в лабораторию литологии и геохимии осадочных формаций. С 1996 г. лабораторией руководит

В. А. Салдин. Заметим, что количество сотрудников лаборатории было стабильным на протяжении многих лет и варьировалось от 12 до 17 человек. Сегодня ветеранами лаборатории являются А. И. Елисеев и Я. Э. Юдович, Г. Ф. Семенов, И. В. Швецова, М. П. Кетрис, А. И. Антошкина. В этом

году тридцатипятилетний юбилей нашей лаборатории.

Основное внимание в тематике исследований уделялось осадочным образованиям палеозоя Урала, Пай-Хоя и Тимана. Остановимся на наиболее важных результатах деятельности сотрудников лаборатории в области литологии и геохимии.

Литологические исследования

В 1970-х гг. В. И. Чалышев, изучая красноцветные и угленосные верхнепермские и триасовые отложения разных регионов России и зарубежья, обосновал новое перспективное направление в литологии — палеопочвоведение. Он разработал методику изучения древних почв, их классификацию и показал глобальную проблему эволюции почв в истории Земли («Методика изучения ископаемых почв», 1978). Он был одним из первых отечественных литологов, который установил отличительные признаки ритмичности флишевой и молассовой формаций («Ритмичность флиша и моласс»,

1976).

В составе лаборатории работала группа, изучавшая коры выветривания и бокситы Тимана. Так, В. В. Беляев детально исследовал древние коры выветривания и бокситовые месторождения Южного и Среднего Тимана, выявил и охарактеризовал минеральные типы бокситов и закономерности распространения их в залежах. Основываясь на богатом фактическом материале, он сделал вывод об осадочной природе бокситов Южного Тимана и их интенсивной переработке на диагенетической и эпигене-

тической стадиях литогенеза. Им же был обоснован вывод об образовании бокситов в результате переотложения продуктов кор выветривания по глинисто-карбонатным породам верхнего девона («Минералогия и генезис бокситов Южного Тимана», 1974). И. В. Швецовой были выявлены минералы-концентраторы редких элементов и ниобия в бокситах Среднего Тимана. Детальные минералогические исследования лейкоксенов позволили ей выделить среди них четыре разновидности, выяснить их распределение в продуктивном пласте и определить последовательность превращения фаз в процессе лейкоксени-зации ильменита («Минералогия лей-коксена Ярегского месторожде-ния»,1975).

На Среднем Тимане была установлена и изучена самая древняя среди известных в мире бесспорно латеритных образований кора выветривания, развитая по верхнерифейским породам («Бокситоносная кора выветривания полевошпатовых метасоматитов на Среднем Тимане», 1983). В дальнейшем В. В. Лихачев детально изучил эти редкометалльные (в частности, ниобиеносные) бокситы и коры выветривания, образовавшиеся по субстрату щелочных метасоматитов рифейского фундамента («Редкометалльность бокситоносной коры выветривания Среднего Тимана», 1993).

В 1970—1980 гг. при исследовании палеозойских отложений севера Урала А. И. Елисеев впервые применил формационный анализ. Им были установлены закономерности строения и состава карбонатной (Елецкой) и сланцевой (Лемвинской) структурно-фор-

6 марта 1992 г. Слева направо: В. В. Лихачев, А. А. Беляев, И. В. Козырева, А. В. Мерц, И. В. Швецова, В. А. Салдин, М. П. Кетрис,

?, Я. Э. Юдович, А. И. Елисеев, Е. Карабань, А. И. Антошкина

мационных зон на северо-востоке Европейской платформы. В результате были построены формационные ряды этих зон и показано, что в первом ряду трижды происходит закономерная схема карбонатных и терриген-ных формаций, образующих циклическую последовательность платформенного шельфового типа. В ряду сланцевой зоны более отчетливо проявлена необратимая эволюция формаций пе-риплатформенного батиального типа, свидетельствующая о начальном, затем максимальном погружении и инверсии («Формации зон ограничения северо-востока Европейской платформы», 1978). А. И. Елисеев впервые провел сравнительный формационный анализ и выделил разные типы ограничений окраин палеозойских платформ (западно-уральский, западно-тасманский и восточно-андский). Было показано, что формационные ряды на периферии платформ отражают три фактора седиментогенеза: тектонический, климатический и фактор петро-фонда.

Различие формационных рядов ограничений разного типа — это отражение особенностей проявления единого тектонического процесса в конкретных физико-географических условиях («Сравнительный формационный анализ ограничений платформ в палеозое», 1982).

Развиваемое А. И. Елисеевым представление об осадочных формациях не укладывается в чистом виде ни в одно из существующих, поскольку его концепция объединяет несколько разных направлений учения о формациях — парагенетического, стадиальнотектонического и, в некоторой степени, генетического. В основу выделения формаций автором положены парагенезы пород, а в результате выяснения условий их образования определяются стадии геологического развития осадочного бассейна. Автор предложил назвать этот метод изучения формаций стадиально-парагенетичес-ким («Геологические формации и методы...», 2008). Данный метод был применен при изучении формационных рядов северо-восточной окраины Европейского континента и западной окраины Северо-Американского континента в палеозое. Сравнение этих рядов показало, что они имеют много общего и могут быть отнесены к одному типу — западно-уральскому.

С 1978 по 1994 гг. А. А. Беляев совместно с Г. Ф. Семеновым проводил детальные литологические исследования рудоносности осадочных формаций палеозоя Пай-Хоя и Полярного Урала. Ими были установлены особенности палеозойских формаций Карской зоны Пай-Хоя и верхнедевонско-нижнекаменноугольной толеровой

формации Лемвинской зоны, обосновано гидротермально-осадочное происхождение баритов Карского месторождения, выявлены новые проявления фосфоритов и марганцевого оруденения. А. А. Беляевым впервые в России были открыты проявления бирюзы в арктической зоне (статьи 1980—1990 гг., «Осадочные формации Пай-Хоя и перспективы их рудоносности», 1984; «Осадочные формации Лемвинской зоны Урала и перспективы их рудоносности», 1986).

Девонскую фалаховую формацию Северного и Приполярного Урала изучал Э. С. Щербаков. Им были выделены основные генетические типы тер-ригенных отложений, изучен их минералогический состав, выявлена значимость некоторых акцессорных минералов для диагностики фаций, определены обстановки терригенного осадкона-копления и построены палеогеографические карты («Терригенный девон западного склона Северного Урала»,

1977).

Существенный вклад в конкреци-елогию внесли работы Я. Э. Юдовича. Им была разработана новая типизация конкреций, выделен промежуточный класс—конкрецоиды: породы с химическим составом, отвечающим конкрециям, но имеющие пластовую форму (статьи 1983 г.). Были выявлены особенности минералогии Мп-карбонат-

ных конкреций для определения стадий диагенеза, обнаружен и интерпретирован новый тип — фосфатсодержащих шамозитово-кремнистых конкреций, дано объяснение огромному количеству конкреций в черносланцевых толщах («Геохимия и рудогенез черносланцевых формаций», 1998).

С 1986 г. на основе детальных исследований А. И. Антошкиной палеозойских рифогенных образований севера Урала появилось новое литоло-го-палеоэкологическое направление в изучении карбонатных формаций. Был выявлен широкий спектр морфогенетических типов биогенных структур, установлена приуроченность собственно рифов к калейдо-вым формациям, завершающим тек-тоноседиментационные циклы, и рассмотрена история развития рифов от их зарождения в ордовике до отмирания в перми (статьи 1979—1992 гг., «Рифы в палеозое Печорского Урала». 1994). Была разработана модель палеозойского рифообразования, отражающая эволюционный тренд рифовой палеоэкосистемы. Она состоит из стадий, имеющих характерные палеоэкологические черты, различающиеся палеогеографической позицией органогенных сооружений и масштабами рифообразования, что дает возможность проводить глобальную корреляцию рифовых эпизодов. В нее хорошо вписывается история рифов сопредельных регионов Урала, которая отличается лишь продолжительностью и полнотой стадий (статьи 1995—2002 гг., «Рифообразова-ние в палеозое: север Урала и сопредельные области», 2003). Сравнительные литолого-палеоэкологические исследования рифовых биот (совместно с американскими и сибирскими коллегами) позволили А. И. Антошкиной внести важный вклад в палеогеографию среднего палеозоя. Было установлено, что в позднем силуре— раннем девоне Палеоуральский морской путь связывал Урал, Южную Аляску и Салаир, и по нему осуществлялась миграция специфических рифовых биот вдоль Еврамерийского палеоконтинента (препринт, статьи в отечественных и зарубежных изданиях 1996—2006 гг.).

В последние годы в лаборатории во главе с д. г.-м. н. А. И. Антошкиной сформировалась группа исследователей, изучающих карбонатные породы (А. Н. Сандула, Д. Н. Шеболкин,

В. А. Салдин, Е. А. Пономаренко), причем особое внимание уделяется палеозойским органогенным сооружениям. Эти исследования получили широкое признание.

В 2001 г. в институте состоялись 2-е Всероссийское литологическое совещание и 8-й Всероссийский симпозиум по ископаемым кораллам и рифам «Литология и нефтегазоносность карбонатных отложений», а в 2005 г. — Международное совещание «Геология рифов». К совещаниям были подготовлены путеводители, по которым проводились полевые экскурсии по органогенным сооружениям палеозоя Приполярного Урала. Кроме того, в 2006 г. была организована полевая школа-семинар по карбонатным и терригенным формациям палеозоя в том же регионе Приполярного Урала.

В последние годы темой исследования лаборатории было выяснение связи формаций и палеодинамики.

Выявление пространственно-временных связей в структуре нижнепалеозойской калейдовой формации севера Урала показало индикационную значимость органогенных сооружений не только для характеристики карбонатных формаций, но и для геодина-мической реконструкции истории Ти-мано-Североуральского осадочного бассейна в палеозое. Это отчетливо проявилось в образовании разнообразных модификаций карбонатных платформ и показало сложную структуру самих формаций, в строении которых обособляются субформации и градации («Формации палеозоя северо-восточной окраины Европейской платформы», 2006). А. Н. Сандула на основе детального литологического изучения известняковых брекчий карбона провел их генетическую типизацию. Он установил их разнообразную седи-ментационную и тектоническую природу («Ивестняковые брекчии в каменноугольных отложениях Печорского Урала», в печати).

Особое место в изучении палеозойских формаций для палеотектоничес-ких реконструкций предколлизион-ного этапа развития Урала представляют нижнекаменноугольно-артинские предфлишевые и флишевые формации Лемвинской зоны Урала и Предураль-ского краевого прогиба, которые исследует В. А. Салдин (работы 1989— 2007 гг.; «Формации палеозоя северовосточной окраины Европейской платформы», 2006). Предфлишевые отло-

жения отнесены им к семи различным типам разрезов. Выявлены строение и возраст флишевых формаций, характер миграции терригенной обстановки осадконакопления, отражающий последовательную миграцию оси Пред-уральского краевого прогиба в пределах окраины Европейской платформы. Определены направления палеотечений в седиментационном бассейне того времени с востока на запад, подтверждающие эту миграцию. В каменноугольной карбонатно-терригенной флишевой формации Лемвинской зоны открыты новые проявления баритов, а в артинской предфлишевой формации Предуральского краевого прогиба установлены новые местонахождения фосфоритов, продолжающиеся с Северного Урала на Приполярный Урал (статьи 2001, 2002, 2006 гг. и др.).

В последние годы сформировалось минералогическое направление в изучении формаций. Так, И. В. Козырева изучала зону межформационно-го контакта (МФК) между рифей-вен-дским комплексом доуралид и каледо-но-герцинским комплексом уралид на Приполярном Урале. Здесь широко развиты породы-гидролизаты, т. е. продукты природного гидролиза, и их ме-таморфизованные аналоги (метагидролизаты), а также тесно ассоциирующиеся с ними остаточные продукты глубокого выщелачивания. Они могут иметь элювиальный или эндогенный (гидротермально-метасоматический) генезис. На Приполярном Урале с этими породами связаны проявления золота, палладия, редких и редкоземельных элементов, марганца, метаморфи-зованных бокситов и железных руд («Глиноземистые и железистые породы Приполярного Урала», 2003). Совместно с Я. Э. Юдовичем и И. В. Швецовой ею были обнаружены новые минералы для Приполярного Урала: арденнит, марганцовистый скородит, иттрокразит, арсениосидерит, неодимовый таленит (статьи 2000— 2005 гг.). Н. Ю. Никулова изучала вещественный состав тельпосской свиты нижнеордовикской фалаховой формации на Северном и Приполярном Урале (статьи и препринты 2000— 2007 гг.). Ею были установлены золотоносность базального горизонта фалаховой формации, а также специфический состав золота, отличающий его от золота всех известных в районе ру-допроявлений («Литология и золотоносность базальных слоев уралид на

хр. Малдынырд», 2004, и др.). На Северном Урале в основании фалаховой формации она обнаружила обломки древней метаморфизованной высокоглиноземистой коры выветривания. Н. Ю. Никуловой впервые была установлена петрогенная природа некоторых базальных горизонтов уралид («Литология и геохимия горных пород в зоне межформационного контакта на верхней Печоре», 2006).

Геохимические исследования

Исследования по геохимии осадочных пород начались в 1967 г. в лаборатории региональной геологии и тектоники, возглавлявшейся А. И. Елисеевым, в рамках комплексной лабораторной темы по геологии, литологии и органической геохимии палеозойских толщ восточных районов Тима-но-Печорской провинции. В этот период (1967—1975 гг.) были выявлены: корреляция между содержанием хлороформенного битумоида (ХБ) и его компонентным составом, отражающая, как выяснилось, степень раскры-тости тектонической структуры; «инверсионное» распределение битумоид-ного коэффициента (Рхб) между коллекторами (песчаниками) и покрышками (аргиллитами) во флишоидных толщах — наглядное проявление первичной миграции микронефти; в карбонатных толщах палеозоя Печорского Урала было обнаружено большое количество сингенетичных окклюдированных газов, в том числе углеводородных (С!—С5), как в самих карбонатных породах (до 85 см3/кг), так и в особенности — в кальцитах из карбонатных жил (до 295 см3/кг). Наличие этих газов снимает проблему катагенети-ческой миграции нефти в карбонатных породах — она могла легко осуществиться в газово-водных (углеводородных или углекислых) флюидах при возникновении тектонической трещиноватости. Наглядным результатом таких процессов как раз и является формирование кальцитовых жил с очень высокими концентрациями УВ газов.

Одновременно с исследованиями по органической геохимии были развернуты работы по региональной геохимии осадочных толщ, что было в 1984 г. аттестовано в ГЕОХИ АН СССР как новое научное направление. В его рамках был открыт целый ряд эмпирических закономерностей и впервые выполнено геохимическое описание

палеозойского разреза севера Урала — дана количественная геохимическая характеристика 12 литостратиграфических единиц разреза — основа для геохимического прогнозирования стратиформных рудных концентраций. Венцом этих исследований, продолжавшихся вплоть до начала третьего

тысячелетия, была разработка концепции геохимических горизонтов стратисферы. Было показано, что в осадочных толщах имеются сравнительно узкие стратиграфические интервалы, существенно обогащенные над кларковым уровнем каким-либо химическим элементом (или их группами) — геохимические горизонты, специализированные на Мп, Ва, Бг, Р, и, Б, Аб и некоторые другие элементы-примеси. Эти сингенетические горизонты являются источниками рудного материала для эпигенетических рудо-проявлений и месторождений. Постепенно стало ясно, что такие горизонты по генезису могут быть: терриген-ными, биогенными, талассогенными, вулканогенными и космогенными, а по латеральному распространению — локальными, региональными, надрегио-нальными и глобальными. Чтобы полностью понять это, понадобилось 17 лет экспедиций на Урале и Пай-Хое

(1967—1984). Разумеется, идея этой концепции витала в воздухе, в той или иной форме она многократно высказывалась геологами — исследователями стратиформных месторождений. Но все же формулировка целостной геохимической концепции была сделана именно в лаборатории литологии и геохимии осадочных формаций.

Одновременно велись углубленные исследования геохимии пород биолитов — карбонатов, углей и черных сланцев.

В области геохимии ископаемых углей в серии статей, брошюр и целого ряда монографий (1972, 1978, 1985, 1989, 2001, 2002, 2004—2006) была впервые разработана целостная концепция геохимии неорганических компонентов углей, включая как ценные (ве, и, V и др.), так и токсичные (Ає, И§, Ве и др.). Цикл работ по геохимии углей получил большую известность в СССР, Польше, Чехословакии, Болгарии, Венгрии. В последние годы работы Я. Э. Юдовича и М. П. Кетрис по экологической геохимии углей (геохимия Ає, Бе, И§) интенсивно публиковались в международных журналах на английском языке и оказались одними из наиболее высокорейтинговых. Важнейшим результатом исследований было составление самых полных очерков геохимии более чем 60 элементов-примесей в углях и оценки М. П. Кетрис на основе составленной ею базы данных средних содержаний этих элементов-примесей в углях мира — кларков углей.

В области геохимии черных сланцев в более чем 25 статьях, брошюрах и пяти монографиях (1988, 1994, 1997, 1998) впервые была выстроена целостная концепция геохимии и металлогении черных сланцев. Большинство работ опубликовано в рамках Международного проекта ІОЄР-254 (в том числе заключительная монография на английском языке) и широко известны в научном сообществе. В этих трудах была впервые дана оценка факторов формирования углеродистых осадков — прекурсоров черных сланцев; установлены стратиграфические соответствия черных сланцев и углей; исследована эволюция факторов Р ^био-продуктивность экосистем,), Ж (степень

А. И. Елисеев на р. Силове, 1977 г.

фоссилизации органического вещества в осадке) и £ (скорость неорганической седиментации) в истории биосферы; разработана изотопно-геохимическая типизация диагенеза углеродистых осадков — прекурсоров черных сланцев; оценено влияние на металлонос-ность черных сланцев эксплозивного вулканизма; дано дальнейшее развитие идей В. И. Вернадского и А. В. Лапо о геохимических функциях живого и органического вещества применительно к истолкованию рудогенеза, связанного с черными сланцами.

Венцом этих исследований явилось составление очерков геохимии более чем 60 элементов-примесей в черных сланцах и оценки (М. П. Кетрис, на основе составленной ею базы данных) средних содержаний этих элементов-примесей в черных сланцах мира — кларков черных сланцев.

В области геохимии карбонатных пород был выявлен целый ряд эмпирических закономерностей, в том числе показано присутствие в карбонатных породах большого количества неструктурных элементов-примесей в составе карбонатной фазы, и разработана концепция геохимии карбонатного стронция в свете проблемы реконструкции палеоэкологических обста-

новок седиментации, в частности — рифовых систем. Были обнаружены так называемые реликтовые геохимические аномалии стронция в разрезах терригенно-карбонатного типа. На этом основании была установлена и проинтерпретирована эмпирическая «Закономерность Ведеполя» — феномен сохранения части первичного стронция в закрытых диагенетических системах, т. е. в карбонатных пластах, запечатанных глинистыми покрышками. Такие пласты являются природными «консервными банками» — хранилищами палеоэкологической информации. Удалось разработать критерий, позволяющий предсказать характер диагенетического изменения карбонатных раковин, показана возможность использования содержания стронция в жильном кальците как геотермометра, обнаружено и проинтерпретировано фациально-обусловленное накопление Мп, Ва и Сг в карбонатных породах. Были выполнены приоритетные исследования изотопного состава карбонатного углерода в доломитах карельского стратотипа (возрастом около 2.2 млрд лет) и обнаружен его сверхтяже-лый состав — «карельский изотопный феномен». Одновременно Я. Э. Юдо-вичем, А. А. Беляевым и Г. Ф. Семено-

вым был обнаружен сверхлегкий изотопный состав карбонатного углерода в серпуховской карбонатной толще Пай-Хоя.

Начиная с 1970-х гг. развернулись интенсивные исследования в области геохимии породообразующих элементов осадочных толщ — литохимии.

Я. Э. Юдович считает «литохимию» самостоятельной ветвью геохимии осадочных пород и является признанным лидером этого направления. В рамках литохимии он разработал химическую классификацию осадочных пород, методы диагностики вулканогенной примеси в породах и реконструкции субстрата метаморфитов, эффективно использовал методику литохимии для глобального обобщения состава черных сланцев (монография 1988 г.) и для анализа химического состава осадочных и метаморфических пород на севере Урала и Пай-Хое (монографии 1998 г.). Эти работы завершились в 2000 г. опубликованием фундаментальной монографии «Основы литохимии», в 2002 г. номинированной на соискание премии РАН им. акад. А. П. Виноградова. Эти исследования получили широкое признание, в институте были проведены уже две Всероссийских школы по литохимии — в 1997 и 2006 гг

I

ДОРОГАЯ НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА!

[доктору геолого-минералогичоских наук Н. В. Беляевой]

Сердечно поздравляю Вас с юбилеем, который Вы встречаете на самом взлете Вашей жизненной, творческой, профессиональной и деловой активности, достигнув сияющих научных высот, утвердившись как крупный ученый мирового класса. К моим поздравлениям присоединяются все сотрудники института. Надеюсь, что этот Ваш маленький промежуточный юбилейчик станет плоскостью симметрии Вашей жизни, и за этой плоскостью будет столько же ярких лет, но не по-детски наивных или по-молодости непутевых, а сверхпродуктивных во всех ипостасях, умудренных жизнен ным опытом, стремлением к реальным ценностям, обеспеченных крепким здоровьем.

К большому сожалению, по стечению обстоятельств не могу присутствовать на Вашем празднике, но надеюсь погулять на стоде сятилетнем юбилее.

Благодарю за все, что Вы сделали для Института геологии Коми научного центра по развитию научных исследований, подготовке кадров, созданию творческой дружной атмосферы. Желаю крепкого здоровья, счастья, благополучия, новых открытий и свершений. Всего самого доброго, самого радостного Вашим родным и близким!

Академик Н. Юшкин

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.