Литолого-геохимическая характеристика нижнепермских калийных солей северо-западного обрамления Прикаспийской впадины

Объектом исследований стали калийно-магниевые соли хлоридной группы погожской ритмопачки иренского горизонта кунгурского яруса нижнепермской системы, вскрытие скважинами в пределах Перелюбской площади, расположенной на северо-восточном обрамлении Прикаспийской впадины. Литологостратиграфический разрез района исследований приведен на рис. 1.

По данным химического состава сильвинитов и сильвин-галитовых пород погожской ритмо-пачки (пласт VI-сл) по керновым пробам (спектрометр EDX-720 Shimadzu, Институт химии СГУ), основными минеральными компонентами пород являются сильвин (5–54 %) и галит (33– 91 %), сумма которых в среднем составляет около 92 %. В породах постоянно присутствуют также ангидрит (до 23 %, в среднем 4,4 %) и минералы Н.О. (до 7,1 %, в среднем 1,1 %), в отдельных пробах отмечаются карналлит (до 14 %, в среднем 0,8 %), каинит (до 8,6 %, в среднем 0,7 %) и полигалит (до 10 %, в среднем 0,4 %). Необходимо отметить частое присутствие в сильвинитах примеси карналлита, вследствие чего около 9 % проб содержит более 1 % MgCl 2 . Однако переходные (карналлит-сильвиновые)

разновидности пород с содержанием MgCl 2 более 5 % в составе пласта по пробам не отмечаются.

Методика

Изучение нерастворимого остатка калийных солей (Н.О.) проводилось: 1) в шлифах при петрографическом описании; 2) в навеске под бинокуляром после экстрагирования из образцов калийных солей (сильвинитов и карналлитов) по методике, изложенной в работе О. П. Гончаренко и др. (2023). Н.О. также изучен рентгенофазовым анализом (РФА) для определения минерального состава на дифрактометре PW-1800 (Philips) (Институт химии СГУ). Анализы проводились для сильвинитов и карналлитовых пород раздельно по фракциям измельчения (зернистая и пелитовая) (табл. 1).

Состав Н.О. сильвинитов

Минеральный состав крупнозернистой фракции нерастворимого остатка проб 1–4 представлен преимущественно ангидритом (91 %), в незначительных количествах определены магнезит (4 %), целестин (1 %), кварц (2 %), глинистые минералы (2 %). В тонкой пелитовой фракции

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

этой лицензии, посетите

Формация

Ритмопачки (свиты) по Ю.А. Писаренко

Реперные пласты ^С К '«.«ж:

Литологическая колонка н

Каротажные диаграммы ГК гк

Мощность, V

Слои в соответствии со схемой И.Н. Тихвинского

Циклы по И.Н. Тихвинскому

Реперные пласты (зоны) по И.Н.Тихвинскому

it

ррягенн

:

Суш

тая

Корсаковская

A-A'A

0-120

Озерская

= П2 = п

+ + +

40-90

Индерборские

XII-XIII

13

12

Tl ~

50-100

X-XI

11

Ерусланская

=f

^^

111-

-*■       *

10

—

9

Долинная

50-110

VIII-IX

Челкарские

8

-Il-

50-120

VI-VII

7

о

Пигаревская

—

b

-ki-

60-170

V

6

Антиповская

_i3 z —i2 —

о

Эльтонские

—

1 —

60-140

IV

5

1-

Погожская

120-230

III

4

-дз- -gi-

ш О О

Луговская

* * x V**

к

II

30430

Улаганские

1

2

Балыклейская

-f2-3 - -f^a— - fl-2 -

90-350

Нижне-иренские

1

Волгоградская

ег

15-30

И X £ о-б

I-

к га И

6

_6k_

[\ 2^*

2040

5

_5k_

30-50

4

_4k_

30-60

Я >

ф о. с Я а о ш

3

_3k_

2

_2k_

30-80

^

1

30-60

Рис. 1. Типовой стратиграфический разрез нижнепермской галогенной формации северного обрамления Прикаспийской впадины по Ю. А. Писаренко (Goncharenko et al., 2018). Условные обозначения: 1 – известняки; 2 – ангидриты с прослоями терригенных пород; 3 – каменная соль; 4 – сильвиниты и сильвинсодержащие породы; 5 – ангидриты с гипсами; 6 – терригенные породы; 7 – ангидриты с прослоями полигалитов; 8 – калийно-магниевые соли; 9 – магниевые соли (бишофиты)

Таблица 1. Минеральный состав нерастворимого остатка солей

Тип солей	Проба	Фракция	Содержание минерала, % масс.
			О с Я	н S S к <	н S со О К ей S	S я ч о С	к я н о о R о П	О НН н 5 и *	Д' ей й
Сильвиниты	1	крупнозернистая	-	91	4	-	1	2	2
Сильвиниты	2	пелитовая	-	80	12	-	-	3	4
Карналлиты	3	крупнозернистая	10	45	3	41	-	-	1
Карналлиты	4	пелитовая	14	31	26	-	-	13	9
Полигалиты	5	-	79	8	10	-	2	-	-

Н.О. содержание ангидрита составляет 80 %, отмечается относительно высокое содержание магнезита (12 %), незначительные содержания глинистых минералов, кварца, целестина.

Величина суммарного содержания CaSO 4 и Н.О. в солях в основном определяется содержанием ангидрита (рис. 2). Это подтверждается минералого-петрографическими исследованиями с количественными подсчетами минеральных компонентов.

Рис. 2. Распределение ангидрита в сильвиновой породе, шлиф с анализатором (а), и кристалл целестина в сильвин-карналлитовой породе, шлиф с анализатором (б). Глубина 811,5 м

Состав Н.О. карналлитовых пород

Крупнозернистая фракция нерастворимого остатка проб 3,4 представлена сульфатными минералами: полигалитом (41 %), ангидритом (45 %) и гипсом (10 %), в незначительных количествах присутствуют магнезит (3 %), кварц (1 %). Пелитовая фракция по минеральному составу (магнезит (26 %), глинистые минералы (13 %), кварц (9 %), гипс (14 %), сульфоборит, полевой шпат, амфиболы) принципиально отличается от зернистой фракции. По химическому составу крупнозернистая и пелитовая фракции нерастворимого остатка также существенно различаются, что обусловлено их различным минеральным составом.

Условия формирования калийных солей погожской ритмопачки

По результатам геохимических и минералого-петрографических исследований солей Пере-любской площади (Московский и др., 2014; Московский и др., 2018; Соломон и др., 2019; Соломон, Гончаренко, 2022) можно сделать выводы об условиях формирования выявленной залежи калийных солей погожской ритмопачки. Для обоснования некоторых положений использовались количественные оценки ионного и солевого состава (табл. 2) и соотношения компонентов ионного состава (табл. 3).

В погожском цикле отложение калийно-магниевых солей (КМС) началось уже на ранней стадии (слой VI-3) и продолжалось с различной интенсивностью почти до самого его завершения. В слое VI-3 калийно-магниевая минерализация представлена включениями карналлита, кизерита и каинита в ангидрит-галитовой породе. Раннее начало осаждения КМС и их состав обусловлены, очевидно, сохранением в солеродном бассейне рапы, накопленной в предшествующих циклах.

Таблица 2. Характеристика ионного состава погожской ритмопачки

Слой	Мощность, м	Na, %	K, %	Mg, %	CaSO 4 , %	Ca, %	Cl, %	SO 4 , %	Br, %
Морская вода, г/кг		10,764	0,388	1,297	1,386	0,408	19,353	2,701	0,0659
Погожская ритмопачка
VI(6)	4,36	24,42	15,76	0,29	4,13	1,22	52,23	3,63	0,034
VI(5)	15,14	8,21	10,48	6,47	3,86	1,14	39,28	5,11	0,175
VI(4)	32,46	35,00	1,00	1,20	4,46	1,31	53,97	3,15	0,012
VI(3)	13,20	21,00	2,80	2,70	4,48	4,48	38,42	16,23	0,019
VI(2)	41,05	37,40	0,10	0,10	4,00	1,18	57,67	2,82	0,020
VI(1)	6,46	0,00	0,00	0,00	95,00	27,97	0,00	67,03	0,000
Сумма	112,67	-	-	-	-	-	-	-	-
Среднее		28,22	2,67	1,58	9,39	3,14	48,36	8,51	0,050

Таблица 3. Соотношения компонентов ионного состава погожской ритмопачки

Соотношения	K/Na	Mg/Na	K/Mg	Ca/Na	Ca/SO 4	Mg/Cl	SO 4 /Cl	Br/Cl*1000
Морская вода	0,036	0,120	0,299	0,038	0,151	0,067	0,140	3,405
Погожская ритмопачка	0,095	0,056	1,691	0,111	0,369	0,033	0,176	1,033

По каротажу почти во всех скважинах достаточно четко прослеживается нижняя граница слоя VI-3, а также симметричное распределение в нем содержания калийных минералов. Фактором, определяющим индивидуализацию слоя в разрезе ритмопачки, являлась, вероятно, временная изоляция бассейна. Высокое содержание ангидрита указывает также на относительное повышение роли континентального стока.

Слой имеет региональное распространение, и его аналоги прослеживаются на большей части территории Северного Прикаспия как репер h 1 1 (Деревягин и др., 1981; Диаров и др., 1977).

Слой VI-4 сложен преимущественно каменной солью с неравномерно распределенной примесью карналлита в виде включений, гнезд и линз. Причиной обогащения верхней части слоя калийно-магниевыми минералами является, по-видимому, погружение концентрированной рапы из вышележащего карналлитового слоя (Диаров, 1977). Механизм формирования пород слоев VI-3 и VI-4 представляется следующим образом. При испарении верхнего слоя воды на дне водоема образуется ангидрит-галитовый осадок, пропитанный более концентрированной придонной рапой. В процессе диагенеза в осадке кристаллизуются карналлит и (в слое VI-3) сульфаты магния. Следующий слой – VI-5 – сложен преимущественно карналлитовыми породами. Массовая садка калийно-магниевых солей может быть обусловлена только прекращением поступления морских вод, в результате чего доля галита в отложениях быстро сокращается.

Таким образом, подошва слоя близко соответствует моменту изоляции солеродного бассейна и переходу к прогрессивной фазе галогенного цикла. На данной стадии соленакопления при прогрессивном сгущении рапы образуется пачка пород, содержащая в среднем 65 % карналлита, 20 % галита, 4 % ангидрита, а также в количествах не более 2 % сильвин, сульфаты магния, бишофит. Наиболее распространенным (в 80 % изученных скважин) элементом неоднородности является интервал сульфатно-хлоридных солей, приуроченный к средней или верхней части слоя и содержащий в среднем 43 % карналлита, 17 % галита, 25 % сульфатов магния (по данным петрографических исследований – кизерит, каинит, полигалит), 6 % ангидрита, 3 % сильвина. Образование этих пород обусловлено, по-видимому, изменением состава рапы в процессе отложения карналлита, а именно повышением относительного содержания сульфат-иона.

Реже элементами неоднородности слоя VI-5 являются интервалы карналлит-галитовых и сильвин-карналлитовых пород, приуроченных к средней и нижней частям слоя. Прослои карнал-лит-галитовых пород, содержащих около 70 % галита, отмечаются в скважинах 107, 110, 113. Сильвин-карналлитовые породы, содержащие до 30 % сильвина, отмечаются только в скважинах

(301, 302, 311). В скважине 301 непосредственно над сильвин-карналлитовой породой залегает карналлит-галитовая порода. Образование кар-наллит-галитовых и сильвин-карналлитовых пород обусловлено, по-видимому, локальными изменениями состава и температуры придонной рапы, связанными с гидродинамическими процессами, интенсивность которых возрастала на севере площади с приближением к береговой линии. В соответствии с общей последовательностью минералообразования прогрессивная фаза галогенеза в условиях изоляции солеродного бассейна должна завершаться осаждением бишофитовых пород (Валяшко, 1962), однако на Перелюбской площади этого не произошло. Бишофит в карналлитовых породах присутствует, но в небольших количествах – в среднем по слою 0,9 %, в отдельных пробах до 23 %.

Причиной незавершенности галогенного процесса могло быть восстановление связи бассейна с океаном и, как следствие, разбавление рапы большими объемами морской воды, но тогда оказалось бы невозможным и образование сильвинитового пласта выше по разрезу (Деревягин и др., 1981). Возможно, перелюбская часть солеродного бассейна находилась в зоне с несколько более высокими гипсометрическими отметками дна по сравнению с окружающими областями акватории. При понижении уровня поверхности воды оставшиеся рассолы постепенно покидали приподнятую зону и стекали в понижения рельефа, в результате чего она была полностью осушена еще до перехода состава рапы к бишофитовой стадии сгущения. Наиболее поздние рассолы при общем понижении уровня рапы стекали, возможно, на запад (Краснокутская площадь) (Диаров, 1977).

Следующий слой – VI-6 – сложен преимущественно сильвинитами и содержит в среднем 30 % сильвина, 62 % галита, 4 % ангидрита, а также в количествах не более 2 % – карналлит, полигалит, каинит.

Первопричиной образования сильвинитового слоя является, несомненно, постепенное восстановление связи солеродного бассейна с океаном, т.е. переход к регрессивной фазе погожского цикла. Поступление (вначале в небольших объемах) морской воды на осушенное дно неизбежно привело к растворению верхней части карналлитовой залежи (Деревягин и др., 1981).

Растворение карналлита происходило на фоне испарительного процесса при малой глубине бассейна и, как следствие, активной волноприбойной гидродинамики, вызывающей постоянное перемешивание воды. В этих условиях процесс растворения карналлита может быть остановлен после накопления первого достаточно выдержанного слоя. С физико-химической точки зрения такой слой должен иметь галито-вый состав, но почти во всех изученных скважинах непосредственно над карналлитами залегают сильвиниты. Возможно, это объясняется невозможностью сохранения медленно формирующегося галитового осадка в условиях активной гидродинамики, тогда как сильвиниты могут осаждаться достаточно быстро, например, при кратковременном охлаждении рапы (Деревягин и др., 1981).

Количество растворенного карналлита должно обеспечивать как минимум резервы калия, необходимые для накопления сильвинитового пласта. Минимальная средняя мощность растворенной части карналлитового слоя оценивается величиной порядка 6–7 м. После завершения растворения карналлитовых пород начинается процесс формирования сильвинитового пласта, который прерывается, по-видимому, в результате значительного повышения уровня океана и перехода к следующему (антиповскому) циклу соле-накопления. Поскольку выше сильвинитов в разрезе практически отсутствуют соли карналлитовой и бишофитовой стадий сгущения (карнал-литсодержащие породы отмечаются только в скважине 304), можно полагать, что большая часть рассолов, образовавшихся при растворении карналлитов слоя VI-5, сохранилась в бассейне и перешла в следующий цикл. Сравнение соотношений ионов в отложениях погожской ритмо-пачки и в морской воде (табл. 3) позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Отношение K/Na по ритмопачке почти в 3 раза выше, чем в морской воде. Это свидетельствует, очевидно, о том, что в погожском цикле были осаждены резервы калия, накопленные в нескольких циклах соленакопления;

• 2.    Отношение Mg/Na по ритмопачке в 2 раза ниже, чем в морской воде. Это обусловлено, видимо, стоком высокомагнезиальных рассолов конечных стадий сгущения в окружающие части солеродного бассейна при понижении уровня рапы. На это же указывает средний бромхлорный коэффициент по ритмопачке, который более чем в 3 раза ниже, чем в морской воде;

• 3.    Отношение Ca/Na по ритмопачке в 3 раза выше, чем в морской воде. Это свидетельствует, видимо, о большой роли континентальных источников кальция при формировании соленосных отложений. В то же время отношение SO 4 /Cl по ритмопачке превышает такое отношение в морской воде незначительно, что указывает на континентальный привнос кальция преимущественно в карбонатной форме.

При петрографическом изучении пласта выделено три разновидности сильвинитов, характеризующих разнообразие протекания галогенного процесса. Эти разновидности (не обязательно присутствующие в каждом разрезе) отвечают условиям: а) нормальной кристаллизации сильвина из рапы при относительно незначительном поступлении терригенного материала (включая ангидрит); б) кристаллизации при активной береговой гидродинамике и значительном поступлении терригенного материала, несколько опресненных вод и преобладании сильвина, образовавшегося при замещении карналлита; в) кристаллизации сильвинита и сильвин-карналлитовых пород в условиях повышенных концентраций рапы.

Результаты

• 1.    Значения бром-хлорного коэффициента в сильвинитах продуктивного интервала погож-ской ритмопачки подтверждают представления о формировании сильвина за счет метасоматического замещения карналлита и в результате раннего диагенеза. Так, в интервале 1018,11– 1020,35 м (скв. 204) сильвинит отличается повышенными значениями бром-хлорного коэффициента относительно его значений, характерных для седиментационной стадии. В данном интервале Br*10³/Cl = 3,44–4,54, что соответствует начальной стадии кристаллизации карналлита. Для некоторых образцов (7 (1017,73 м) и 12 (1021,57 м), скв. 204) характерны значения бромхлорного коэффициента, отвечающие раннедиагенетической стадии их кристаллизации (Br*10³/Cl = 1,87–2,61). Аналогичные значения установлены и для галита из каменной соли (интервал 961,12–1016,84 м, образцы 5 и 6 соответственно);

• 2.    Все изученные образцы характеризуются значительной загрязненностью пелитом и рассеянными скоплениями ангидрита, которые образуют волнистые, часто дихотомирующие (расщепляющиеся) линзы и слойки. В местах наибольшего содержания пелита и ангидрита порода имеет брекчиевидную и даже «очковую» микротекстуру. Здесь кристаллы сильвина деформированы и корродированы и сопровождаются оранжевыми каемками гидроокислов железа. Галит представлен галитом высаливания (рис. 3).

• 3.    Анализ строения и состава сильвинитового пласта в скважинах, расположенных в прибрежно-граничных зонах погожского бассейна седиментации, показывает, что кристаллизация шла под влиянием поступления терригенного материала и при образовании большей части сильвина по карналлиту.

Зародышевая часть кристаллов галита часто имеет овальную форму, что связано либо с растворением, либо с окатыванием. Формирующиеся далее зоны роста фиксируются присыпками пелита. Загрязнение пелитом и рассеянным ан- гидритом характерно для всего интервала. Связывать это явление следует с близостью береговой полосы бассейна и перемещением терригенного материала и части сформировавшихся кристаллов за счет прибойных явлений, размыва островных участков и частично – за счет эолового переноса материала (Соломон, Гончаренко, 2022);

Рис. 3. Регенерационная структура идиоморфных кристаллов галита высаливания, а, б – шлиф, без анализатора. Глубина 1053 м

Выводы

По результатам минералогопетрографического изучения сделаны некоторые общие выводы относительно калийно-магниевых солей верхней части погожской ритмопачки:

• 1.    Сильвиниты, залегающие выше карналлитового горизонта, являются результатом реализации стадии опреснения рапы;

• 2.    В большинстве пересечений принципиальная схема образования сильвинитового пласта практически одинакова;

• 3.    Основная (первая) разновидность сильвина отражает заключительную фазу стадии опреснения, когда в сильвинитах появляются прослои каменной соли, а сам сильвинит почти не содержит пелита и рассеянного ангидрита, при этом часть сильвина кристаллизовалась непосредственно из рапы, не являясь результатом замещения карналлита;

• 4.    При интерпретации условий формирования калиеносных пород следует учитывать различные типы ритмов, характерных для галогенных пород. Один тип ритмов связан с закономерностями самого галогенного процесса и представлен чередованием ангидрита, каменной соли и сильвинита. Второй тип определяется периодическим поступлением в солеродный бассейн терригенных компонентов (в т.ч., сульфата кальция) (Московский и др., 2014; Московский и др., 2018);

• 5.    В образованиях сильвинитовой, карналлитовой, бишофитовой стадии галогенеза ритмы представлены галитом высаливания и ангидритом высаливания. Поэтому ко времени садки сильвина или карналлита при высокой степени метаморфизации рапы ангидрит часто представлен рассеянной примесью.