Литолого-фациальные особенности позднеолигоценовых и раннемиоценовых лимногенных комплексов Сакмаро-Бельской Депрессии: Юж. Приуралье

Лимногенные осадочные комплексы пород и другие непосредственно связанные с ними фациальные типы континентальных отложений являются очень важными, точными и подчас незаменимыми индикаторами палеогеографических, палеогеоморфологических и палеотектонических условий формирования древних осадочных формаций, что делает особенно актуальным их изучение.

Несмотря на широкое распространение разновозрастных лимногенных отложений в Южном Приуралье и особенно в пределах Сакмаро-Вельской депрессии, степень их изученности далеко не достаточна. В особенности это справедливо по отношению к олигоцен-миоценовым подугольным озёрным толщам в пределах Южноуральского буроугольного бассейна, подстилающим промышленные пласты бурых углей. Обширные многолетние исследования буроугольных отложений подробно освещают особенности формирования и развития именно этого этапа эволюции лимногенных комплексов, а также состав пород, строение и условия образования месторождений бурых углей, но в значительно меньшей степени раскрывают предшествующие и последующие условия развития озёрного седиментогенеза в этом регионе.

Цель исследований заключалась в выяснении закономерностей и особенностей лимногенного осадкообразования в пределах Сакмаро-Вельской депрессии, а также окружающих её районах Южного Приуралья в фанерозое, и в первую очередь на протяжении кайнозойского этапа развития этого региона, на основе подробного изучения литолого-фациального и вещественного состава лимногенных комплексов, их циклического строения с целью реконструкции общей палеогеографической ситуации в регионе и её развития во времени.

О «.

— Задачи исследовании состояли в следующем. 1. Изучение литолого-фациального и вещественного состава олигоцен-миоценовых озёрных комплексов Сакмаро-Вельской депрессии, а также распределения различных фациальных типов лимногенных отложений на площади и их положения в разрезах древних континентальных формаций.

2. Разработка литологических критериев для палеогеографических реконструкций на основе детального изучения вещественного состава древних озёрных толщ региона.

3. Восстановление палеогеографической ситуации и условий осадконакопления в позднем олигоцене и раннем миоцене.

4. Изучение минерального состава озёрных глин и структуры глинистых минералов, входящих в состав лимногенных комплексов.

5. Выделение основных крупных эпох озёрного осадкообразования на протяжении всей длительной истории континентального развития Южного Приуралья в фанерозое.

Научная новизна исследований.

1. Автором впервые для Сакмаро-Вельской депрессии, а также прилегающих территорий Южного Приуралья, было проведено детальное литолого — фациальнос изучение древних осадочных комплексов озёрного генезиса с использованием совокупности литолого — фациальных и минералога-петрографических методов, а именно изучения структурно-текстурных особенностей осадков, характера цикличности и распределения озёрных фаций, петрографических исследований прозрачных шлифов, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и др. В результате этого были восстановлены палеоусловия осадкообразования озёрных и озёрно-болотных толщ позднеолигоценового и раннемиоценового возраста.

2. Были подробно изучены состав и минералого-структурные особенности глинистых отложений олигоцен-миоценовых озёрных толщ.

3. В результате исследования глинистого вещества было показано, что различные генетические типы каолинита являются специфическими для различных этапов развития древних озёрных и озёрно-болотных бассейнов.

4. Была установлена цикличность озёрного осадкообразования на протяжении всей фанерозойской истории развития Южного Приуралья и выделены периоды, во время которых лимногенные отложения были развиты наиболее широко как в пределах Предуральского краевого прогиба, так и прилегающей к нему территории Русской плиты.

В результате проведённых автором работ были подробно изучены олигоцен-миоценовые лимногенные комплексы. Причём применённый в работе подход к исследованию древних озёрных отложений с позиций связи литолого-фациальных, геодинамических процессов и вторичной минерализации осадков позволил установить литолого-фациальные критерии для реконструкции условий осадкообразования в древних озёрных бассейнах и для восстановления общей палеогеографической ситуации в регионе. Результаты исследований могут быть использованы при изучении древних озёрных толщ и приуроченных к ним месторождений бурых углей, для реконструкции обстановок их формирования, прогноза размещения буроугольных залежей и других лимногенных полезных ископаемых, в частности, огнеупорных глин и кварцевых песков. Промежуточные результаты этих изысканий нашли применение в работах по научному гранту РФФИ, посвящённому проблемам озёрного литогенеза.

Результаты исследований неоднократно обсуждались в лаборатории седиментологии и докладывались на заседании методического учёного совета по осадочному породои рудообразованию Института Литосферы РАН, на Уральском региональном литологическом совещании «Седиментогенез и литогенез осадочных образований» (Екатеринбург, 1996), V Уральском угольном совещании (Екатеринбург, 1997), совещаниях молодых ученых (ИЛСАН РАН, 1995 и 1996 гг.).

Фактический материал для диссертации был отобран автором во время полевых сезонов 1995 и 1997 гг. на территории Республики Башкортостан и Оренбургской области. При проведении полевых работ изучались естественные обнажения, а также керновый материал и описания скважин, пробуренных АО Башкируголь, было отобрано около 320 образцов. Антологические особенности отложений, кроме полевых наблюдений (структура, текстура, наличие и характер органических остатков, состав обломочного материала, видимые вторичные изменения и др.), были изучены автором макроскопически и в прозрачных шлифах (60 шт.). При исследованиях глинистого вещества были использованы методы рентгеноструктурного (65 шт.), химического (57 шт.) анализа, электронной микроскопии, выполненных в лабораториях ИАСАН РАН, МГУ, ГИН РАН, АО Башкируголь.

Диссертация выполнена в Институте Литосферы РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук A.A. Рассказова, которому автор выражает свою глубокую признательность.

При проведении полевых работ большую помощь и содействие оказали сотрудники АО Башкируголь A.A. Артюхин, Ф. М. Исхаков, А. Ю. Фомин и многие другие, директор Института геологии Уфимского Научного Центра РАН доктор геол.-мин. наук В. Н. Пучков, заместитель директора доктор геол.-мин. наук Д. Н. Салихов и сотрудники Института доктор геол.-мин. наук А. П. Рождественский и канд. геол.-мин. наук Г. А. Данукалова, которых автор искренне благодарит за поддержку и консультации.

Автор благодарит за полезные дискуссии и советы в процессе выполнения работы доктора геол.-мин. наук И. И. Плюснину, профессора О. В. Япаскурта, доктором геол.-мин. наук H.A. Соловьёву (МГУ), сотрудников Института Литосферы окраинных и внутренних морей РАН доктора геол.-мин. наук В. М. Моралёва, доктора геолого-минералогических наук В. В. Ляховича, доктора геол.-мин. наук О. Г. Лазура, И. С. Кудиярова и многих других.

3.3. Общие выводы об обстановках осадконакопления.

В итоге, проведённый литолого-фациальный анализ лимногенных толщ рассматриваемого региона позволил сделать следующие выводы.

1.В исследованных лимногенных комплексах отсутствует цикличность высоких порядков, которая бы захватывала всю осадочную толщу и проявлялась достаточно продолжительное время в пределах всей площади озёрных бассейнов.

2.В составе лимногенных комплексов на протяжении всего позднеолигоце нового и раннемиоценового этапа их развития существовала чёткая площадная зональность в распределении различных фациальных типов отложений — от достаточно грубых вдольбереговых и прибрежных, образующих узкую полосу в краевых частях впадин, до тонких, преимущественно глинистых, осадков внутренних зон древних озёр. Общий план распределения фаций на площади оставался примерно одинаковым весь этот срок. Контуры и размеры озёрных бассейнов сохранялись длительное время.

3.Осадочные циклы меньших порядков, достаточно маломощные и характеризующиеся небольшими площадями распространения, были образованы в результате отложения в прибрежной зоне терри генного материала, поставлявшегося с возвышенных бортов озёрных впадин. 4. Энергия озёрных вод была невелика, гидродинамическая обстановка не отличалась высокой активностью. 5. Темпы прогибания днищ впадин характеризовались относительным постоянством, а распределение фаций на площади контролировалось локальными факторами.

В результате изучения литолого-фациальных особенностей позднеолигоценовых и раннемиоценовых лимногенных комплексов автором были сформулированы следующие защищаемые положения.

1. Изменение климатических условий и уменьшение терригенного сноса в пределы Сакмаро-Бельской депрессии при неизменной геодинамической ситуации вызвали существенные изменения литологического состава раннемиоценовых толщ: во внутренних частях лимногенных впадин начали формироваться мощные буроугольные залежи. При этом в краевых зонах продолжалось накопление терригенных осадков прибрежных озёрных фаций, но более тонкого состава, чем в предшествующие этапы развития лимногенных структур.

2. Положение береговой линии, контролирующей распределение озёрных фаций на рассматриваемой площади, в позднем олигоцене и раннем миоцене стабилизировалось, что обуславливает непрерывность процессов озёрного седиментогенеза в пределах пенепленизированной внутри континентальной равнины при незначительных изменениях скорости осадконакоплення.

ГЛАВА 4.

ВЕЩЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПООУГОПЬНЫХ И МЕЖУГОЛЬНЫХ ОЛИГОИЕН-МИОиЕНОВЫХ ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.

Маячное и Бабаевское месторождения Южно-Уральского буроугольного бассейна миоценового возраста приурочены к длительно развивавшимся в кайнозое изолированным лимногенным системам. Изучение глин как угленосной, так и подугольной толщ, где они развиты наиболее широко, представляет особый интерес. Состав и строение глинистых минералов отражают специфику формирования и развития угленосных бассейнов на начальных стадиях, а также позволяют более полно охарактеризовать условия осадкообразования в периоды заболачивания, угленакопления и последующей литификации осадков.

Минеральный состав олигоцен* миоценовых глинистых отложений достаточно постоянный для разрезов обоих месторождений. Нами было проведено изучение серии рентгеноструктурных анализов глинистого вещества, входящего в состав олигопен-миоценовых лимногенных комплексов (36 шт.), выполненных на рентгеновском дифрактометре ДРОН.

При их детальном рассмотрении становится очевидным, что разрез озёрных и озёрно-болотных отложений, сформированный в изученных структурах, отличается достаточно чёткой вертикальной зональностью в распределении глинистых минералов, и прежде всего каолинита. При этом характерной особенностью описанных толщ является то, что чистые, мономинеральные глины в них практически отсутствуют (см. рис. 9 и 10).

Основным компонентом слагающих эти толщи глинистых пород является каолинит. Его содержание как правило достигает 50%. При этом у него чётко выделяются два генетически различных типа, приуроченных к разным частям разрезов.

7,14.

Н-1—1−1-1−1-1−1-1−1->

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 = 20.

РИС. 1 6. Оифрзктограммы каолинита двун генетичеснин типов в составе олигоцнн — миоцвновын пиммогеннын номплвнсов (воздушна — суние образцы).

Наиболее типичные дифрактометрические характеристики каолинита, относящегося к разным частям разрезов и обладающего различной структурой, показаны на рис. 16.

Первый тип, значительно преобладающий и встречающийся в пределах практически всей подугольной толщи, характеризуется невысокой степенью совершенства структурыв отдельных прослоях встречается каолинит с сильно разупорядоченной структурой, частично разрушенный. На рентгенограммах (см. рис. 16) он характеризуется широкими зубчатыми пиками с рефлексами 7.25, 3.53, 2.36 А В некоторых прослоях чистый каолинит не встречается, полностью замещаясь смешаннослойным образованием каолинит — смектит с различным содержанием разбухающих пакетов, имеющим межплоскостные расстояния 7,8.

— 7,27 А (001).

Такая разуиорядоченная и несовершенная структура каолинита прямо свидетельствует о его элювиальном генезисе и достаточно длительном переносе в конечный бассейн осадкообразования. (В.А. Дриц, А. Г. Коссовская, 1971, 1989 и др.). В ходе последнего происходило его разрушение, сопровождавшееся изменением структуры и возникновением смешаннослойных образований каолинит-смектит. Источником каолинита этого типа служили гумидные коры выветривания алюмо-силикатных пород, широко распространённые в кайнозое как на территории Южного Урала, так и в пределах окружающей эти водоёмы аллювиально-озёрной равнины (А. П. Рождественский, 1971, 1994; В. А. Гаряинов, Н. А, Васильева, 1970 и др.).

Результаты анализа этого генетического типа каолинита под электронным микроскопом (31егеозсап 600) также говорят о его терригенном происхождении. На полученных электронно-микроскопических снимках (см. фото 1−4) хорошо видны мелкие таблитчатые кристаллы каолинита, расположенные хаотично, «навалом», без всяких признаков их аутигенного преобразования. Морфология этих кристаллов подтверждает хорошо известную закономерность. Согласно последней, при достаточной зрелости.

Фото 1.

Рото 2.

Фото 4,.

Фото 6.

Фото 7.

Фото 8 глинистого материала и длительном переносе его в конечный бассейн осадкообразования сохраняются лишь целые хорошо окристаллизованные чистые частицы или их фрагменты, в то время как практически все частицы с различными примесями и дефектами разрушаются на стадии переноса.

Второй тип каолинита значительно отличается от первого и характеризуется узкими чёткими пиками исходного и насыщенного глицерином образца 7.14, 3.56, 2.38 А и имеет совершенную структуру (см. рис. 16). Он сменяет первый структурный тип непосредственно под продуктивными угольными пластами, где он приурочен к горизонтам углистых глин, а также в межугольных прослоях обоих месторождений. На полученных нами электронно-микроскопических снимках этого структурного типа каолинита (фото 5−8) хорошо видны его столбчатые кристаллы, явно образованные на месте, без переноса. Морфология последних прямо свидетельствует об их аутигенном генезисе (Д-Д-Котельников, А. И. Конюхов, 1986; А. Г. Коссовская, Т. Н. Соколова, В. А. Дриц, 1971 и др.).

Появление в разрезе угленосной толщи аутогенного каолинита второго типа связано с закономерным изменением геохимической характеристики озёрных вод на стадии заболачивания и сопровождавшего этот процесс угленакопления.

В этот период формирования лимногенных комплексов произошло значительное понижение рН и еН озёрных вод, которое обусловило невозможность синтеза 2:1 глинистых минералов, однако создало благоприятные условия как для новообразования каолинита, так и для преобразования и совершенствования структуры терригенного каолинита, описанного выше (В. А. Дриц, А. Г. Коссовская, 1989). Кроме того, биохимическое разложение растительного материала на стадии диагенеза, сопровождавшееся образованием и высвобождением значительного количества реакционноспособных органических соединений, также способствовало процессам преобразования терригенного каолинита и его новообразованию.

Такая закономерность в распределении этих двух структурных типов каолинита в составе толщи озёрных и озёрно-болотных осадков является весьма специфичной для различных зон разрезов лимногенных комплексов, образованных в определённой обстановке.

По нашему мнению, глинистый материал, который образует межугольные прослои в составе изученных толщ, являлся первично терригенным. Эти прослои отражают при этом специфические литогенетические события в процессе торфонакопления. По Ю. А. Жемчужникову (1948), они представляют собой продукты местного накопления осадка, механизм которого связан с кратковременными локальными изменениями палеофациальной обстановки.

Глинистый материал был привнесён в торфяное болото с бортов впадин при наводнениях и половодьях в сезоны обильных осадков. Формирование межугольных глинистых прослоев в эти периоды происходило в условиях устойчивого и продолжительного поступления терригенного материала на протяжении десятков и даже сотен лет (A.A. Адмакин, 1998). Об этом свидетельствуют результаты проведённого нами литолого-фациального анализа продуктивных буроугольных толщ.

Так, количество и мощность межугольных глинистых прослоев возрастают по направлению к бортам впадин, и убывают по направлению к их центрам вплоть до полного исчезновения глин среди мощных продуктивных толщ бурых углей. Залегание этих горизонтов внутри буроугольных залежей сложное, они часто образуют небольшие линзовидные прослои среди бурых углей, расположенные внутри угольных залежей достаточно беспорядочно, без чёткой ритмичности.

В периферийных частях изученных структур происходит постепенное выклинивание промышленных буроугольных пластов и замещение их сначала алеврито-глинистыми, а затем песчаными осадками. Кроме того, отдельные межугольные глинистые горизонты содержат небольшие линзовидные тела, обогащенные песчаным, а также гравийным и мелкогалечным материалом, причём по направлению к краям впадин количество и мощность подобных линзовидных прослоев возрастают.

Эти литологические признаки говорят о том, что на стадии заболачивания изученных структур в краевые их части продолжал поступать достаточно грубый терригенный материал, отлагавшийся в зоне прибрежного подвижного мелководья. Однако ширина этой зоны, а также количество поступавшего в неё с бортов впадин обломочного материала, на стадии заболачивания значительно уменьшились.

Для глинистого материала, слагающего межугольные глинистые горизонты, характерна чёткая преемственность минерального состава по отношению к нижележащим подугольным лимногенным толщам, (см. рис. 9 и 10).

По всей видимости, их исходный материал — это привнесённый в торфяное болото преимущественно глинистый материал кор выветривания, аналогичный тому, который входит в состав подугольной толщи.

В постседиментационный период после захоронения в торфянике терригенное материнское вещество межугольных прослоев подвергалось существенным трансформациям.

Такие факторы, как низкие величины pH, обильное содержание органического вещества, образование большого количества СО2 и агрессивных бикарбонатных растворов, условия сернокислого выветривания и некоторые другие, являются оптимальными для новообразования каолинита. Под их воздействием протекал интенсивный вынос подвижных и легкорастворимых компонентов, высвобождавшихся при разложении первичного осадка. В результате остаточные продукты обогащались наименее подвижными соединениями (глинозёмом и окисью титана), что способствовало возникновению аутигенного каолинита (A.A. Адамакин, 1995; Я. И. Аношко, 1990; В. А. Дриц, А. Г. Коссовская, 1989; П. В. Зарицкий, 1979, 1881 и др.).

Экспериментальными исследованиями А. И. Боголюбовой, Л. А Соколовой и A.A. Юревич (1971) зафиксировано превращение монтмориллонита в каолинит при торфообразовании.

Кристаллическая решётка смектита в кислой среде (рН=4,5−5,0) торфяного болота неустойчива и разрушается сразу до образования свободных окислов кремния и алюминия, из которых.

— ——&bdquo-.&bdquo-ж «» ————^^^^—————-««-ини^усД^ 1 нии ми! ли ириислиди 1 о нивииирйливанис АаиЛИНШй.

Ещё одним источником вещества для новообразования каолинита также могли служить продукты гидролиза терригенных силикатных минералов, в особенности полевых шпатов и слюд (Я.И. Аношко, 1990).

Однако, нельзя исключать возможность преобразования в условиях болотной кислой среды вулканического пепла, занесённого в данные структуры эоловым путём из сопредельных регионов, где в миоцене была активно проявлена вулканическая деятельность. Наши результаты исследования вещественного состава межугольных глинистых горизонтов не позволяют однозначно ответить на вопрос о генезисе первичного, материнского вещества, попадавшего в торфяное болото. Тем не менее, проведённый нами литолого-фациальной анализ озёрно-болотных отложений раннего миоцена, результаты которого изложены выше, позволяет считать наиболее вероятным механизмом образования межугольных прослоев трансформацию терригенного глинистого вещества в болотной обстановке.

Смена геохимической обстановки на стадии торфообразования сопровождалась перераспределением и накоплением ряда элементов в межугольных прослоях. В таблице 1 и на рис. 17 представлены данные по среднему содержанию ряда редких и малых химических элементов по всему разрезу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведённое нами литолого-фациальное изучение лимногенных комплексов СакмароВельской структуры позволило сформулировать следующие защищаемые положения.

1. Изменение климатических условий и уменьшение терригенного сноса в пределы Сакмаро-Вельской депрессии при неизменной геодинамической ситуации вызвали существенные изменения литологического состава раннемиоценовых толщ: во внутренних частях лимногенных впадин начали формироваться мощные буроугольные залежи. При этом в краевых зонах продолжалось накопление терригенных осадков прибрежных озерных фаций, но более тонкого состава, чем в предшествующие этапы развития лимногенных структур.

2. Положение береговой линии, контролирующей распределение озёрных фаций на рассматриваемой площади, в позднем олигоцене и раннем миоцене стабилизировалось, что обуславливает непрерывность процессов озёрного седиментогенеза в пределах пенепленизированной внутриконтинентальной равнины при незначительных изменениях скорости осадконакопления.

3. В составе пород олигоценмиоценовых лимногенных комплексов изученного региона выделяются два генетически различных типа каолинита, отличающихся структурными характеристиками и являющихся индикаторами палеообстановок формирования озёрных осадков. Первый тип каолинита — терригенный седиментогенный и локализован в подугольных толщах озёрного генезиса. Каолинит второго типа — аутигенный диагенетический и приурочен к межугольным прослоям озёрно-болотного и болотного происхождения.

4. Олигоцен-миоценовый период развития региона является завершающей фазой системы циклов лимногенного осадкообразования в фанерозое Южного Приуралья. Он характеризуется локализацией осадкообразования в небольших длительно развивавшихся впадинах в пределах плоской равнины при ровном гу ми дном умеренном климате, отсутствием крупных рек при стабильности общих условий осадкообразования. Эти факторы обусловили формирование к концу этого периода мощных лимногенных комплексов, содержащих промышленные залежи бурых углей.