Галогенез хлоридного типа в Припятском калиеносном бассейне

Проблема эволюции галогенеза в древних солеродных бассейнах теснейшим образом связана со многими фундаментальными проблемами современной геологии. В развитии глобальных геологических процессов формирования и преобразования пород в солеродных бассейнах стадия калиенакопления является весьма специфичной аномалией концентрирования полезного компонента (калия) с созданием поля контрастных концентраций. Оценивая особенности калийного рудогенеза, обычно ставят сугубо прагматичные задачи, в том числе прогнозно-минерагенические.

Рассмотрение галогенеза носит по-прежнему качественный характер: все необходимые условия определены общими теоретическими рассуждениями, а именно изолированностью бассейна, активной тектонической позицией (приуроченность к тектонически активным зонам), аридностью, периодическим притоком и оттоком морских вод и некоторыми другие. Несколько ослаб- лены климатические ограничения, а также колебания глубины бассейна. Если для формирования калиеносных отложений признаются условия мелководного бассейна, то собственно, галитовая стадия может осуществляться в таких крупных бассейнах и в глубоководных условиях (Петрова, Высоцкий, 1998). Большинство исследователей склоняются к выводу, что сгущение происходит за счет удаления водной массы (формирование отрицательного баланса по воде) при преобладании аридных климатических условий в режиме превышения испарения над поступлением воды.

Объект исследований

Развитие солеродного бассейна в Припятском внутриконтинентальном палеорифте происходило по законам континентального литогенеза (рис. 1). Рифт выполнен достаточно пестрыми по составу отложениями, накопление которых происходило преимущественно на границе субаэрально- субак-вальных условий.

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

Рис. 1. Схема тектонического районирования юго-запада Восточно-Европейской платформы

Циклы соленакопления отражают этапы деградации водоема (рис. 2). Площадь бассейна в каждом последующем цикле сокращалась, и ранее отложившиеся соли, в том числе и калийные, подвергались растворению и размыву в краевых частях бассейна. Калиепроявления в циклах соленакопления приурочены к завершающей стадии или к началу следующего цикла (Петрова, Высоцкий, 1998).

В Припятском бассейне происходило смешение процессов, что препятствовало четкому обособлению собственно морских отложений и отложений водоемов малой минерализации. Локализация водного питания по периферии бассейна контролирует пространственное распределение на дне синхронных галогенных отложений. При поступлении равномерного питания по всему контуру водоема строение оказывается симметричным, если же поступление растворов идет с одной стороны, то появляется асимметричное строение. В условиях относительно длительного существования водоема такого типа происходило постоянное изменение границ между основным (подготовительным) и рапным бассейнами по площади водоема, что приводило к перемежаемости пластов соли и терригенных осадков.

Да и переливы – перетекание вод из впадины во впадину – приводили к последовательной смене солеродных водоемов по степени солености. В период же солеотложения действовали механизмы испарения и вымораживания, смешения и высаливания за счет изменения растворимости.

Среди системных факторов контроля ка-лиенакопления на зрелой стадии формирова- ния Припятского внутриконтинентального палеорифта, отличающегося деструктивнодивергентным геодинамическим режимом (Литогеодинамика..., 1998), выделены:

• 1)    пульсационный характер развития тектонических явлений, обеспечивающий ритмичность и морфологию соляных отложений, а также миграцию и переотложение калийных залежей;

• 2)    отрицательный водный баланс, способствующий сгущению вод и направленному развитию галогенной седиментации;

• 3)    гидрологический режим, определяющий плотностную стратификацию вод с формированием термоклина и пикноклина;

• 4)    открытый рассольный бассейн с большой водной массой, позволяющий выделить легкорастворимые минералы и обеспечить последующую их сохранность;

• 5)    элизионный режим артезианского бассейна (Петрова, Кислик, 1996). Безусловно, за последние годы несколько изменился и формат рассмотрения механизмов, образующих осадочное выполнение внутриконти-нентального рифтового тектонотипа (Припятский бассейн), характеризующегося сочетанием циклических и событийных (т.е. катастрофических) явлений. Катастрофические явления характерны для соляных отложений с увеличенными скоростями осадкообразования, растворения и смыва сформированных осадков.

В упрощенном виде формирование соленосных отложений в осадочном выполнении Припятского палеорифта можно представить как сочетание процессов мобилизации исходного вещества в пределах питающих провинций, переноса с помощью потоков,

X
IX
VI I
VII	—
VI
V
IV
III
II
VII
VI
V
IV
III
II
1

Артинский

Ярус

Геологические события

Характеристика формации

Формации 1-9 (1- терригенно-карбонатная, карбонатно-терригенная; 2 - терригенно-сульфатно-карбонатная, сульфатно-карбонатно-терригенная; 3 - сульфатно-карбонатноглинистая, глинисто-сульфатно-карбонатная; 4 - терригенная; 5 - терригенная молассоидная; 6 - карбонатно-терригенная угленосная паралическая; 7 - соленосная; 8 - соленоснотерригенная; 9 - щелочно-ультраосновная); 10 - несогласное залегание пород; 11 - перерывы в осадконакоплении; породы 12-21 (12 - калийные соли; 13 - каменная соль; 14 - галопелиты; 15 - известняки; 16 - карбонатно-сульфатная порода; 17 - мергели; 18 - доломиты; 19 - ангидриты; 20 - глины; 21 - песчаники); 22 - номер ритмопачки. Буквы обозначают цвет пород: Пц - пестроцветная, Сц - сероцветная о-Пц-

Формирование пострифтовых молассоидов

Тангенциальное сжатие, поднятие и эрозия

Терригенные пестроцветные молассоиды

Соленосная сульфатно-хлоридная

Терригенно-карбонатная

Карбонатно-терригенная

Паралические карбонатно-терригенные

_____ угленосные пестроцветные ______

Сероцветная

Терригенная каолинитово-угленосная

Карбонатно-терригенная

Сероцветные надсолевая карбонатнотерригенная сланценосная, сульфатоносные, верхняя соленосная, вулканиты щелочно-ультраосновные до щелочно-базальтоидных

Терригенно-сульфатно-карбонатная (межсолевая)

Нижняя соленосная, вулканиты щелочно-базальтоидного состава

Доломито-известково-мергельные, сульфатоносные

Терригенно-карбонатные

Коры выветривания

5 го

Ассельский

Турнейский

Фаменский

Эмский

Тангенциальное сжатие, поднятие и эрозия.

Пострифтовое осадконакопление в изолированных прислоненных компенсационных мульдах

Предрифтовое растяжение и опускание, обособление прогиба

□ и | IV | 22

Гжельский

Касимовский

Живетский

Эйфельский

ИЗ19 I

Татарский

Казанский

Уфимский

Сакмарский

Московский

Башкирский

Серпуховский

Визейский

Франский

Пражский

Лохковский

Поздняя фаза

Главная фаза

Начальная фаза

1400/ 3000

:::пц

° O$w уш !Н1!!!И

(неоднократная смена континентального и мелководного морского осадконакопления)

Рис. 2. Геологический разрез осадочного чехла Припятского прогиба

сползания по склонам и осаждения на дне конечного водоема стока. При этом следует учитывать высокие скорости осадконакопления солевых составляющих, лавинной седиментации рециклинговых терригенно-карбонатных осадков и вулканических пеп-лов (Петрова, Высоцкий, 1998).

Соленакопление

В настоящее время совершенно ясно, что соленакопление, особенно на конечных стадиях, зависит от характера смешения растворов. Кинетика процессов формирования смешанных растворов определяется: 1) изменением соотношений между взаимодействующими массами вод; 2) изменением соотношений между реагирующими массами кластогенного материала и растворов.

Комплекс взаимосвязанных узловых вопросов хлоридного галогенеза решается в соответствии с представлениями по метаморфизации морской воды, а высокое содержание калия в маточном растворе солеродных бассейнов нередко объясняют ман-тийно-магматогенным источником, десцен-дентными рассолами за счет растворения и переотложения разрушающихся залежей калийных солей; дополнительной разгрузкой в бассейн седиментации высококонцентрированных хлоркальциевых подземных рассолов, непосредственно связанных с континентальной, а не океанической корой.

Образование позднедевонских соленосных отложений в Припятском внутриконти-нентальном рифте отвечает в своих главных чертах зрелой стадии рифта, характеризующейся интенсивными тектоническими движениями и вулканизмом. Для Припятского прогиба свойственно значительное разнообразие проявлений вулканизма как по масштабам, так и по составу: в отличие от вулканических пород океанических рифтов преобладают щелочные серии с обилием щелочных базальтов, пород типа нефелинитов, а галопелиты нередко являются камуфлированной пирокластикой.

Сам процесс формирования морских (океанических) вод подразумевает значительное влияние эндогенного источника на анионо- генный состав. Роль галогенидов в формировании морских вод показал А. П. Виноградов (Виноградов, 1967). Детали изменения состава морской воды (переход из сульфатно-хлоридного типа в хлоридный, названный метаморфизацией (Валяшко, 1962)) не совсем ясны до сих пор. Процесс формирования состава рапного самосадочного бассейна морского происхождения (морской ветви га-логенеза) во многом зависит от подготовительной стадии, на которой под влиянием метаморфизующих агентов происходит устойчивое и необратимое изменение состава растворов и переход в хлоридный тип.

Процесс метаморфизации в его классическом понимании символизирует процесс «континентилизации» морских вод. Выделение сульфата кальция и основных карбонатов магния, в дальнейшем формирующих карбонатные минералы, подчеркивает необратимость процесса метаморфизации за счет формирования труднорастворимых соединений. Главным продуктом является сульфат кальция (гипс или ангидрит) из-за реакций с ионами кальция. Наиболее эффективны и вероятны два варианта потери сульфата магния: 1) поступление гидрокарбонатных вод континентального стока с глинистотерригенным материалом, в обменном комплексе которого также содержатся ионы кальция. Первоначальное соотношение MgCl2:K2 сохраняется, и магний выпадает в форме основных карбонатов магния; 2) за счет хлорида кальция постоянным остается первоначальное соотношение Mg:K2 (D’Ans, 1968). Привнос в бассейн дополнительных ионов хлора естественно приводил к снижению бром-хлорного отношения в растворе. Этот процесс отличается от классического понимания процесса метаморфизации за счет гидрокарбонатных ионов, кальция обменного комплекса, реакций доломитизации и приводит к нарушению баланса хлоридов в формирующихся солеродных бассейнах, а также к более быстрому достижению садки хлоридных минералов. Основное отличие этих реакций заключается в формировании дополнительного количества хлористого магния. Хлорид кальция из разгружающихся хлор-кальциевых подземных вод и вод гид- ротермальных нентом, резко высаливает

источников

является компо-

обстановку.

Он

меняющим

Рис. 3. Диаграмма состояния системы CaCl 2 – MgCl 2 – KCl – H 2 O при температурах 0° С, 25° С, 35° С, 75° С (по данным Assarson, 1950): Кр – карналлит, С – сильвин, Т – тахгидрит, Б –

боймлерит

сульфат кальция, изменяет солевые равновесия на всех стадиях процесса галогенеза и способствует формированию хлоридных систем с различными соотношениями хлоридов магния и кальция, смещающими равновесия в сторону кристаллизации сильвина или карналлита. Выделение сильвина или карналлита зависит от соотношения хлоридов калия, магния, кальция в растворе, а также от термодинамических условий (рис. 3) (Assarson, 1950).

Нарушение баланса хлоридов в солеродном бассейне связано с двумя основными процессами, названными нами десцендент-ным и асцендентным путями возвращения элементов в цикл соленакопления (Петрова, Кислик, 1994). Роль этих процессов в калийном рудогенезе огромна. Концепция формирования калийных залежей различных гиперсоляных ассоциаций в осадочном выполнении Припятского калиеносного бассейна построена на тесной взаимосвязи механизмов и процессов, обусловивших интеграцию (смешение) нескольких источников водносолевого и кластогенного питания солеродного водоема.

Гидрохимический тип хлоридного бассейна, определяемый путями формирования состава вод, непосредственно контролирует вещественный состав тех хемогенных осадков, которые возникают на всех стадиях развития водоема, а следовательно, и минералого-петрографический тип галогенной (соленосной) формации, в том числе состава карбонатных минералов в хемогенно-терригенных породах (рис. 4). Среди хло-ридных соленосных формаций только отложения Припятского бассейна лишены магнезита на высоких стадиях галогенеза.

Среди основных механизмов эволюции процесса галогенеза рассматриваются сближение объемов жидких и твердых фаз, а также кристаллизация с разделением и без разделения твердых и жидких фаз, участвующих в формировании калийных солей (Ва-ляшко, 1962).

Сближение объемов твердых и жидких фаз к моменту кристаллизации калийных солей может происходить за счет:

• 1)    кристаллизации солей по растворному, обменному, отрицательному по воде, испа-

  

  Рис. 4. Диаграмма системы К⁺, Na⁺, Mg²⁺Ca²⁺ // Cl^––H 2 O c полями существования карбонатных минералов (кальцита, доломита, магнезита). 1 – поле составов подземных рассолов; 2 – поле составов поровых растворов галопелитов и газово-жидких включений в солях; 3 – поле составов внутрисоле-вых растворов III калийного горизонта Старобинского месторождения

  
  

рительному циклу сближения объемов (чистый тип разреза, пестроцветная гиперсоляная ассоциация);

• 2)    поглощения жидкой фазы терригенным материалом (красноцветная гиперсоляная ассоциация). В свое время М. Г. Валяшко, обращая внимание на выравнивание объемов жидких и твердых фаз, предположил участие в этом процессе кластогенного материала. Как показали последние исследования (Крайнов и др., 2004) с использованием термодинамических расчетов, следствием увеличения отношения твердая фаза / жидкая фаза являются сгущение вод, общий рост минерализации и что особенно важно – эволюция их геохимических типов (региональ-ность эффекта). Кластогенный материал, поглощая воду, сгущает рассол, одновременно производя изменения в составе (хлорид магния → хлорид кальция).

Двойственность механизма сближения объемов в определенной степени объясняет формирование двух типов зон замещения / разубоживания (галитовый и галопели-товый) и двух типов «сухого озера». В этом принципиальном механизме также нашли отражение представления М. Г. Валяшко о формировании сухого озера, о влиянии и роли терригенного материала.

Понятие «кристаллизация с разделением и без разделения твердых и жидких фаз» в представления о формировании соленосных отложений в теорию галогенеза ввел М. Г. Валяшко (Валяшко, 1962), который под этим углом зрения рассматривал и процессы переотложения солей, детализируя их геохимическую историю.

Концепция формирования калийных залежей разных гиперсоляных ассоциаций построена на тесной взаимосвязи механизмов и процессов, обусловивших интеграцию (смешение) нескольких источников водносолевого и кластогенного питания солеродного бассейна (конечного водоема стока).

Пространственно-временное развитие красноцветной и пестроцветной гиперсоляных ассоциаций в Припятском бассейне (Петрова и др., 1985) во многом соответствует моделям их формирования, объясняет картины распределения калия, характеризуя роль рудоконтролирующих процессов. Формирование калийных залежей связано с пре- образованием состава водносолевой массы и сближением объемов жидких и твердых фаз в зависимости либо от кристаллизации солей по растворному (обменному, испарительному) циклу (чистый тип разреза, пестроцветная ассоциация, нередко именуемый как петриковский тип), либо от влияния терригенного материала (хемогенно-терригенный тип разреза, красноцветная ассоциация – старобинский тип). Вторичные процессы, основанные на переотложении, разложении, перекристаллизации, уже в период седиментации приводили к изменению облика калийных залежей. Широко распространено мнение, что большинство красноцветных сильвинитов является продуктом рециклинга отложений карналлита (переотложение на месте при сохранении каменной соли либо в результате полного растворения солей и миграции растворов).

В калийных горизонтах красноцветной ассоциации широко развиты процессы кристаллизации солей с разделением фаз, которые проходили при несомненном влиянии десцендентных явлений (переотложения). В калийных залежах сильвиниты обычно располагаются в качестве первых отложений над базальными прослоями каменной соли. В отдельных многопластовых горизонтах выше по разрезу располагаются пласты массивных карналлититов. Формирование массивных карналлитовых пород шло из высококонцентрированных растворов в те периоды, когда резко менялся «структурный план» дна соляных водоемов за счет активизации тектонических нарушений. Наблюдающееся распределение карналлита и нерастворимого остатка в приразломных синклиналях свидетельствует, с одной стороны, о «катастрофическом» привносе карбонатно-глинистого материала в результате обрушения и размыва, а с другой – о перетоке (миграции) в сформированные депрессии высококонцентрированных растворов. По-видимому, в эти периоды в чистом виде действовал механизм разделения фаз. Количество этих рассолов было достаточным для того, чтобы отложить пласты карналлита мощностью 3–7 м. Наличие карналлитовых залежей массивного типа, которые содержат нормальные модельные соотношения брома и других генетиче- ских индикаторов, могут свидетельствовать в пользу первичного отложения солей в виде карналлита.

В залежах пестроцветной гиперсоляной ассоциации кристаллизация солей в самосадочном бассейне на высоких стадиях осоло-нения может осуществляться без разделения фаз и под влиянием асцендентного возвращения элементов в цикл литогенеза, определяя широкое развитие постседиментационных процессов.

Калийные горизонты пестроцветной гиперсоляной ассоциации представлены сильвинитами и породами смешанного карнал-лит-сильвин-галитового состава с широким развитием процессов перекристаллизации сильвина, нередко пестрой окраски за счет зерен синего галита. В горизонтах пестроцветной ассоциации преобладают среднекрупнозернистые и мелкозернистые структуры с наблюдаемыми явлениями бластеза. В каменной соли нередко отмечается отчетливо зональная структура зерен галита, тогда как зональная структура в сильвине отсутствует.

В процессе кристаллизации без разделения фаз в бассейне могут происходить процессы карналлитизации сильвина и сильви-низации карналлита в зависимости от состава слоя рассола, контактирующего с солевыми отложениями. Процессы сильвинитиза-ции и карналлитизации определяют состав отложений калийных солей на постседиментационной стадии. Наиболее широко диагенетические превращения распространены в чистых разрезах пестроцветной ассоциации с небольшой ролью хемогенно-терригенных примесей. Здесь наблюдается рекристаллизация окрашенного сильвина с переходом в белый. Механизмы осаждения калия подтверждаются геохимическими данными: анализ диаграммы четырехкомпонентной хлоридной системы показывает, что при изотермическом испарении сильвин кристаллизуется вместе с галитом и карналлитом, а при понижении температуры в осадок попадает только сильвин (рис. 3) (Валяшко, 1962; D’Ans, 1968; Assarson, 1950).

Образование пестрого сильвинита осуществляется на нескольких этапах. По всей вероятности, кристаллизация карналлита и розового сильвина происходила одновременно, а белого сильвина – позднее из межкристальных растворов с высоким содержанием CaCl2, MgCl2, Br. В большинстве образцов карналлит-сильвиновых пород с зернистой структурой сильвин и карналлит являются сингенетическими минералами. Однако, возможно, что часть сильвина является результатом частичной сильвинизации карналлита. Сильвин мог развиваться по карналлиту, заменяя его по краям зерна. Возникновение таких структур обычно связано с действием менее концентрированных растворов на карналлитовую породу.

Часть белых средне-крупнозернистых сильвинитов с аномально высоким содержанием брома сформировалась в диагенезе за счет инконгруэнтного разложения карналлита под влиянием миграции остаточных, насыщенных по хлористому кальцию, но способных растворять карналлит, растворов (Борисенков, 1973). Первичные калийные отложения, состоящие в основном из смешанных солей, превращаются в сильвинито-вые отложения в результате воздействия погребенных растворов.

Интенсивное проявление постседиментационных процессов создало довольно сложную и разнообразную картину распределения сильвина и карналлита в калийных отложениях пестроцветной гиперсоляной ассоциации. В приосевых частях современных синклиналей развиты преимущественно сильвиниты и карналлитсодержащие сильвиниты, а на поднятиях и в периферических зонах преобладают смешанные породы кар-наллит-сильвин-галитового ряда.

Выводы

Таким образом, в калийных горизонтах красноцветной гиперсоляной ассоциации широко развиты метастабильные процессы кристаллизации солей с разделением фаз, которые проходили при несомненном влиянии десцендентных явлений (переотложение), о чем свидетельствуют высокие содержания калия в почти мономинеральных сильвинитовых прослоях и одновременно низкий бром. В залежах пестроцветной ассоциации предполагается кристаллизация солей без разделения фаз на уровне колеблющегося равновесия с возможной первичной совместной кристаллизацией карналлита и сильвина. В том и другом случае механизм дренажа рассолов в наиболее погруженные части синклинальных структур является необходимым условием калиенакопления.