Состав солеобразующих растворов и условия седиментации солей Якшинского месторождения, Верхнепечорский бассейн

Верхнепечорский калиеносный бассейн расположен в южной части Верхнепечорской впадины Предуральского краевого прогиба. Его открытие связано с проведением поисково-разведочных работ на нефть и газ в районе р. Тыбью в 50-х гг. прошлого столетия, по результатам которых в 1955 г. А. В. Ивановым было дано научное обоснование существованию самостоятельного соленосного бассейна – Верхнепечорского. В 1960‒1963 годы в западной части бассейна под руководством Ю. П. Фойгта проведены геологоразведочные работы по изучению толщи калийно-магниевых солей (Иванов, Воронова, 1968; Богацкий и др., 1977). С 2010 по 2013 год в этом же районе ООО «ТрейдПромСервис» велись поисковоразведочные работы, по результатам которых в пределах западной части бассейна выделено Якшинское месторождение калийно-магниевых солей (Степанов и др., 2024).

Соленосные отложения Верхнепечорского бассейна распространены на площади более 6000 км2. Бассейн вытянут в меридиональном направлении на 100–110 км, в широтном – до 55 км. Галогенная формация охватывает верхнюю часть иренского горизонта кунгурского яруса нижней перми, которая подстилается карбонатно-глинистыми и известняковыми отложениями верхнеартин-ского подъяруса и покрывается мергелями кунгурского яруса и алевритопесчаниковыми породами уфимского яруса (Иванов, Воронова, 1968).

Толща подстилающей каменной соли сложена ангидритами, прослоями засоленных глин и глинисто-ангидритовой породы с галитом. Калийно-магниевые соли встречаются в виде гнезд. В разрезе четко прослеживаются две основные маркирующие пачки, сложенные соленосными глинистомергелистыми породами (галопелитами) с тонкими прослоями и включениями каменной соли и ангидрита. Мощность горизонта

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

этой лицензии, посетите

подстилающей каменной соли колеблется от 120–180 м на западе региона до 400 м и более на востоке.

Толща калийно-магниевых солей представлена чередованием пластов сильвинита, карналлита, каменной соли, галопелитов, за-солоненных глинисто-алевритовых пород и засолоненных глин. В западной части бассейна толща калийно-магниевых солей имеет мощность 40‒55 м, в восточном направлении уменьшается до 25‒30 м.

Толща покровной каменной соли сложена мелко-крупнозернистой каменной солью с прослоями темно-серой засолоненной глины или глинисто-алевритовой породы, содержащей включения, гнезда, тонкие прослои и прожилки калийно-магниевых солей, иногда значительно обогащающие отдельные прослои толщи. Мощность отложений толщи варьирует от 3,5 до 30 м. Более подробно особенности строения соленосных отложений и их состав рассмотрены в работах (Иванов, Воронова, 1968; Богацкий и др., 1977; Вишняков и др., 2018; Степанов и др., 2024).

Целью данной работы являлось определение состава солеобразующих растворов и условий седиментации солей Якшинского месторождения по результатам изучения первичных флюидных включений в галите и нерастворимых остатков каменной соли из подстилающей толщи.

Включения в галите представляют собой надежный и уникальный источник информации о физико-химических параметрах минералообразующих растворов. Для определения химического состава рассолов первичных жидких включений в галите хорошо зарекомендовал себя ультрамикрохимический метод анализа (Петриченко, 1973), который позволяет анализировать небольшие по размеру включения (> 40 мкм) и определять содержание основных ионов – SO 4 ^2‒, Cl^‒, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺.

Для реконструкции температуры рассола на момент его кристаллизации применяют метод гомогенизации первичных флюидных включений в кристаллах галита (Петриченко, 1973; Рёддер, 1987; Horiba, Holand, 1988). Обычно для определения температурных условий древнего солеобразования исследуются первичные включения, содержащие минерал-узник сильвин (Roedder 1984; Lowenstein, Spencer, 1990). Однако подобные включения встречаются лишь в галите, кристаллизация которого шла из концентрированных растворов, насыщенных хлоридом калия. В большинстве случаев первичные включения в галите являются однофазовыми, и поэтому определение температур гомогенизации в них возможно только при предварительном охлаждении галита (‒10 – ‒20° С) до выделения во включениях газовой фазы (Benison, Goldstein, 1999; Галамай, 2005).

Образцы и методы

Изучены образцы галита из пласта подстилающей каменной соли (ПдКС) Якшин-ского месторождения. В работе использован керновый материал, отобранный из скважин 3, 7, 12, 15, 19. Для изучения включений готовились пластинки из выколотых по спайности кристаллов галита, которые предварительно просматривались под микроскопом для изучения особенностей седиментационных структур галита, установления генетического типа жидких включений, их формы, размера и фазового состава.

Для определения температуры минералообразования по однофазовым жидким включениям методом гомогенизации пластинки предварительно охлаждали при температуре –13±5° С в течение 14‒90 суток до образования газового пузырька внутри включения. Затем пластинку переносили в камеру термокриостолика THSG600 Linkam, после чего быстро охлаждали до –10° С и нагревали со скоростью 0,5° С/мин до момента гомогенизации газового пузырька. Более подробно методика описана в работе (Шанина и др., 2014).

Метод ультрамикрохимического анализа детально изложен в работе (Петриченко, 1973). С его помощью в рассолах индивидуальных включений определено содержание основных ионов – SO 4 ^2‒, Mg²⁺, K⁺.

Содержания хлора и брома в пластинках седиментационного галита из нижней части пласта подстилающей каменной соли выполнены в химической лаборатории УКИиМ ОАО «Уралкалий».

Из образцов каменной соли и галопелитов были выделены нерастворимые в воде остатки. Минеральный состав нерастворимых остатков определен методом рентгендифрак-тометрического анализа. Дифрактограммы неориентированных и частично ориентированных препаратов, подвергнутых стандартным диагностическим обработкам, получены в ЦКП «Геонаука» на рентгеновских дифрактометрах Shimadzu XRD-6000 и Haoyuan DX-2700BH (излучение CuKα (40 кВ, 30 мА) с шагом сканирования 2θ – 0,05° С при скорости съемки 1° С/мин). По-луколичественный анализ образцов нерастворимых остатков выполнен с помощью программы Profex.

В сферолитах ангидрита, входящих в состав нерастворимого остатка солей, изучен изотопный состав серы. Для анализа отбирались плотные округлые сферолиты ангидрита, размерами до нескольких милиметров. Исследования проводились на спектрометре MAT253 с элементным анализатором Costech ECS 4010.

Результаты и их обсуждение

В образцах галита по разрезу соляной толщи постоянно встречаются хорошо сохранившиеся седиментационные реликты придонного галита, имеющие вид «елочек» или «шевронов». Размер подобных седиментационных структур составляет около 0,5‒2 см, иногда достигает 3,5 см. Зональность преимущественно ритмическая с четким чередованием молочно-белых полос с включениями и прозрачных – без включений (рис. 1). Широкое распространение подобной зональности в галите свидетельствует о мел-ководности солеродного бассейна.

Первичные включения в галите являются преимущественно однофазовыми. Они имеют кубическую форму, а их размер варьирует от долей микрона до 200 мкм. Лишь в некоторых образцах в составе первичных включений выявлено присутствие мелких анизотропных кристалликов ангидрита. Вторичные включения, образованные на постседиментационном этапе образования солей, расположены хаотически, имеют неправильную или близкую к кубической форму. Они обычно встречаются в водяно-прозрачном перекристаллизованном галите, а также приурочены к залеченным трещинам. Размер подобных включений составляет от 200 до 1000 мкм, и в них часто содержатся дополнительные фазы (газ, ангидрид, сильвин, органическое вещество).

Результаты изучения состава рассолов первичных включений в образцах (табл. 1), отобранных из нижней и средней частей пласта подстилающей каменной соли (скв. 12, 15) методом ультрамикрохимиче-ского анализа, показали, что основным источником рассолов Верхнепечорского солеродного бассейна являлась морская вода сульфатного типа (Na–K–Mg–Cl–SO 4 ), а соотношения основных ионов схожи с составом рассолов других пермских бассейнов (Галамай и др., 2013). Согласно полученным данным, концентрация рассолов при кристаллизации галита в нижней и средней

Рис. 1. Шевроновый галит Якшинского месторождения: А) ритмическая зональность, В) первичные жидкие включения. Скважина 15, глубина отбора 473,9‒474,0 м

Таблица 1. Состав рассолов первичных включений в галите ПдКС Якшинского месторождения

Скважина	Образец	Интервал, м	Содержание, г/л
			K +	Mg 2+	SO4 2-
15	27/15	406,4‒406,5	18,0; 19,7; 20,2; 23,4; 22,7 (20,8)*	47,5; 55,1; 46,6 (49,7)	17,7; 20,6; 19,7; 20,7 (19,7)
	34/15	465,7‒465,9	25,8; 19,1; 24,0; 23,0; 22,3 (22,8)	44,7; 43,6; 46,5; 37,3 (43,0)	20,5; 18,3; 21,3 (20,0)
	36/15	473,9‒474,0	38,1; 34,3; 35,1 (35,8)	73,9; 62,1 (68,0)	28,7; 25,4; 32,1 (28,7)
	8/15	264,3‒264,4	32,1; 30,0; 31,4 (31,1)	45,7; 47,7; 46,6 (46,7)	12,4; 13,2; 10,2 (11,9)
12	10/12	270,8‒270,9	31,3; 34,3; 30,2 (31,9)	39,6; 41,1; 38,6 (39,8)	14,0; 13,1; 15,8; 15,2; 11,5 (13,9)
	16/12	282,4‒282,6	23,8; 26,5; 24,1 (24,8)	26,3; 30,1; 26,7 (27,7)	10,3; 8,5; 6,7; 8,3 (8,5)

Примечание. ()* ‒ среднее значение частях пласта подстилающей каменной соли уже была близка к началу садки калийных минералов и достигала этой стадии в верхней части пласта. Результаты исследований подтверждают тот факт, что морская вода кунгурского возраста характеризовалась самым низким содержанием сульфат-ионов по сравнению с современной морской водой.

Поскольку в рассолах первичных включений содержание иона калия повышено относительно других ионов, то можно предположить, что началу формирования толщи подстилающей каменной соли в Верхнепечорском бассейне предшествовал размыв ранее отложенных калийных солей на близлежащей территории. Расхождения в химическом составе рассолов для скважин 12 и 15 свидетельствуют о том, что вклад свежих морских или пресных вод на различных участках бассейна был неодинаков.

Для определения температур гомогенизации однофазовых жидких включений в галите из толщи подстилающих солей были отобраны образцы из пяти скважин (3, 17, 12, 15, 19). Газовая фаза во включениях в галите при его предварительном охлаждении была обнаружена только в образцах из 12 и 15 скважин, а в остальных по истечении трех месяцев включения остались однофазовыми. Во включениях в галите скважины 12 газовые пузырьки появились через две недели после помещения образцов в морозильную камеру. В галите из скважины 15 газовая фаза во включениях обнаружена спустя 2 месяца после охлаждения образцов. Отличия во временном интервале обособления газовой фазы, вероятно, связаны с различной концентрацией рассолов включений изученных образцов. Появление газовых пузырьков установлено менее чем в 1‒3 % включений в каждой из изученных седиментационных зональных структур.

Измеренные температуры гомогенизации для однофазовых жидких включений меняются от 10,0 до 25,4° С для скв. 15 и от 8,9 до 42,6° С для скв. 12 (табл. 2). В целом значения температур гомогенизации составляют 9–43° С и соответствуют данным для других мелководных бассейнов соленакопления (Benison, Goldstein, 1999). Зависимости между температурой гомогенизации и размером включений не выявлено. В скважине 12 отмечено варьирование температур гомогенизации с глубиной отбора образцов, а для скв. 15 подобных вариаций не обнаружено. Вероятно, это связано с тем, что в районе скв. 12 влияние свежих морских или пресных вод было существеннее, чем в месте локализации скв. 15. На гистограмме зависимости температур гомогенизации от частоты встречаемости (рис. 2) наблюдаются различные температурные интервалы и их широкий диапазон, что обычно характерно для мелководных бассейнов соленакопления.

Рис. 2. Диаграмма зависимости температур гомогенизации включений от частоты встречаемости

Данные по содержанию брома и хлора в перистом галите из нижней части пласта подстилающей соли приведены в табл. 3. Показатель бром-хлорного коэффициента меняется от 0,13 до 0,23, что типично для каменной соли (Валяшко, 1956). Однако с учетом высоких содержаний иона калия, выявленных в составе рассолов первичных включений, полученные значения выглядят несколько заниженными по сравнению с ожидаемыми. Подобный факт, вероятно, может быть объяснен размывом морскими или пресными водами ранее отложенных калийных солей.

В таблице 4 представлены данные по содержанию минеральных фаз нерастворимого остатка каменной соли, полученные методом полуколичественного рентгенофазового анализа. Основными минералами нерастворимого в воде остатка являются ангидрит, доло-

Таблица 2. Температуры гомогенизации первичных жидких включений в галите пласта ПдКС Якшинского месторождения

Скважина	Образец	Интервал, м	Т гом , °С
12	2/12	245,7‒245,8	32,4, 36,9, 27,4, 28,9, 28,1, 20,3 (29,0)*
	10/12	270,8‒270,9	16,7, 21,2, 11,7, 13,7, 17,8, 14,8, 18,0, 18,3, 19,2, 22,0, 23,9, 24,8, 22,4, 21,7, 20,2, 25,2, 18,3, 19,0, 17,5, 22,1, 24,3 (19,6)
	11/12	271,6	8,9, 14,8, 18,9, 16,8, 22,2, 21,6, 24,6, 21,5, 19,9, 20,4, 31,5, 31,0 (21,0)
	16/12	282,4‒282,6	33,7, 38,0, 42,3, 34,4, 41,0, 42,2, 42,6, 32,5, 40,4, 41,2 (38,8)
15	8/15	308,8	14,2, 18,3, 17,0, 20,0, 20,7, 24,0, 25,0 (19,9)
	22/15	395,7‒ 395,8	10,0, 18,0, 18,6, 16,9, 20,0, 21,0, 19,2 (17,7)
	36/15	473,9‒474,0	19,7, 22,5, 15,5, 21,5, 14,1, 18,1, 18,8, 25,4, 25,0, 19,4, 21,8 (20,2)

Примечание. ()* ‒ среднее значение

Таблица 3. Содержание хлора, брома и значения бром-хлорного коэффициента в галите из пласта постилающей каменной соли

Скважина	Образец	Интервал, м	Cl, %	Br, %	Br^10-3/Cl
15	22/15	395,7‒395,8	55,22	0,013	0,23
	34/15	465,7‒465,9	52,39	0,008	0,15
	36/15	473,9‒474,0	52,57	0,010	0,19
16	16/12	282,4‒282,6	53,16	0,007	0,13
3	5/3	450,3‒450,4	54,25	0,011	0,20
7	2/7	205,5‒205,6	54,96	0,010	0,18

Таблица 4. Состав и относительное содержание минералов в нерастворимых остатках каменной соли пласта ПдКС

Образец	Относительное содержание минерала, %
	Anh	Gp	Dol	Fsp	Qz	Chl	Ilt	Bt	Py
8/15	20	4	34	18	6	7	4	3	4
34/15	57	3	29	7	1	<1	1	2	<1
2/19	17	10	19	24	8	13	6	1	2
11/12	6	22	11	20	12	9	12	4	4
2/17	30	25	9	10	8	6	10	1	<1
2/3	<1	1	61	17	6	5	6	1	2

Примечание. Anh – ангидрит, Gp – гипс, Dol – доломит, Fsp – полевой шпат, Qz – кварц, Chl – хлорит, Ilt – иллит, Bt – биотит, Py – пирит мит, гипс, полевой шпат, кварц. Постоянно встречаются глинистые минералы и пирит, однако их содержания несколько ниже. Слоистые силикаты представлены в основном неразбухающими минералами – иллитом и хлоритом. Они, как правило, деградированы и сопровождаются неразбухающими смеша-нослойными фазами иллит-хлоритового, реже иллит-смектитового состава, а иногда полностью заменяются ими. Хлорит преимущественно железистый, что на дифракто-граммах выражается в более интенсивных четных отражениях минерала. Иллит характеризуется несколько увеличенными межплоскостными расстояниями 001 ~ 10,1‒10,6 Ǻ, так же, как и хлорит (14,3‒14,6 Ǻ). Рефлексы иллита и хлорита, как правило, уширены и малоинтенсивны. Полученные данные подтверждают, что хлорит и неразбухающие глинистые минералы в породах являются более устойчивыми в присутствии хлоридно-натриевых солей по сравнению с разбухающими минералами (Симакова, Митюшева, 2025).

Постоянное присутствие в нерастворимом остатке солей Якшинского месторождения сферолитов ангидрита позволило изучить в них изотопный состав серы (δ34S). Установлено, что значения изотопного состава серы ангидрита меняются от +12,6 до +15,0 ‰ и являются типичными для морских эвапоритов пермского возраста (Galamay et al., 2016). Выявленные колебания изотопного состава серы ангидрита в образцах связаны главным образом с процессами бактериальной суль-фат-редукции в раннем диагенезе, на что указывает присутствие в нерастворимом остатке солей сингенетичного пирита. Следует отметить, что по сравнению с другими пермскими отделами изотопный состав серы кунгурских ангидритов Якшинского месторождения характеризуется самыми максимальными значениями δ34S.

Заключение

Результаты исследования первичных флюидных включений в галите и минерального состава нерастворимого остатка толщи подстилающих солей Якшинского месторождения калийно-магниевых солей позволили сделать следующие выводы:

• 1.    Накопление соленосной толщи Якшин-ского месторождения проходило в мелководных условиях. Об этом свидетельствуют выявленная ритмическая зональность седиментационных структур галита, а также широкий диапазон температур гомогенизации первичных жидких включений в галите;

• 2.    Содержания основных ионов при кристаллизации галита пласта подстилающей каменной соли были близки к началу садки калийных минералов. На последнее также указывает значительное время обособления газовой фазы при охлаждении однофазовых жидких включений в галите;

• 3.    Началу формирования соляной толщи Якшинского месторождения, возможно, предшествовал размыв ранее отложенных залежей калийных солей морскими или пресными водами. Масштаб влияния на состав рассолов свежих вод, размывавших калийные отложения, был неодинаков, что подтверждают отличия в содержаниях ос-

• новных ионов для различных скважин и вариации значений температур гомогенизации флюидных включений;

• 4.    Присутствие сингенетичного пирита в нерастворимых остатках каменной соли, наряду с выявленными колебаниями изотопного состава серы в ангидритах, свидетельствует о проявлении в толще подстилающей каменной соли Якшинского месторождения процессов бактериальной сульфат-редукции;

• 5.    Результаты исследований подтверждают, что самые низкие содержания сульфат-ионов в рассолах и самые высокие значения δ³⁴S сульфатов среди пермских бассейнов соленакопления были характерны для кунгурского времени.

Работа проведена в рамках государственного задания ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН «Фундаментальные проблемы минералогии и минералообразования, минералы как индикаторы петро- и рудогенеза, минералогия рудных районов и месторождений Тимано-Североуральского региона и арктических территорий» (ГР № 122040600009-2).