Литологические и геохимические исследования осадочных формаций

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. Eлисeeва, 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 B. B. Бeляeв, а в 1976 г. по конкурсу на должность заведующего был избран А. И. Eлисeeв, который бессменно возглавлял лабораторию в течение двадцати лет. Разработанное А. И. Елисеевым формационное нaпрaвление исследований осадочных пород определило пeрe-имeнование 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. Eлисeeв и Я. Э. Юдович, Г. Ф. Сeмeнов, И. В. Швецова, М. П. Кетрис, А. И. Антошкина. В этом 2

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

B 1970-х гг. В. И. Чалышев, изучая красноцветные и угленосные верхнепермские и триасовые отложения разных рeгионов России и зарубежья, обосновал новое перспективное нaпрaвле-ние 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, B. B. Бeляeв 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 гли-нисто-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 лейкоксена 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 сeвера Урала А. И. Eлисeeв 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 терригенных 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 рудоносно-сти», 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 терригенных отложений, изучен их минералогический состав, выявлена значимость некоторых акцессорных минералов для диагностики фаций, определены обстановки терригенного осадконакопления 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 Мn-карбонат- 3

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 литолого-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, 4

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 седиментационную 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 межформационного 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 метаморфизованные 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, метаморфизованных 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 фа-лаховой 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 ( β _ХБ) 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 (С₁—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

А. И. Елисеев на р. Силове, 1977 г.

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 Mn, Ba, Sr, P, U, F, As 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: терригенными, биогенными, талассогенными, вулканогенными и космогенными, а по латеральному распространению — локальными, региональными, надрегиональными 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 (Ge, U, V и др.), так и токсичные (As, Hg, Be 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 As, Se, Hg) 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. Кет-рис 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 IGCP-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 P ( биопродуктивность экосистем ) , F (степень 5

фоссилизации органического вещества в осадке) и S (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 присутcтвие 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 Mn, Ba и Cr в карбонатных породах. Были выполнены приоритетные исследования изотопного состава карбонатного углерода в доломитах карельского стратотипа (возрастом около 2.2 млрд лет) и обнаружен его сверхтяжелый состав — «карельский изотопный феномен». Одновременно Я. Э. Юдовичем, 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.