Свойства и структурные особенности породообразующих минералов раннепротерозойских осадочных пород из разреза СГ-3 и их поверхностных гомологов
Автор: Скуфьин П.К., Лютоев В.П., Яковлев Ю.Н., Смирнов Ю.П., Глухов Ю.В., Котова Е.Н.
Журнал: Вестник Мурманского государственного технического университета @vestnik-mstu
Статья в выпуске: 1 т.10, 2007 года.
Бесплатный доступ
С целью сопоставления свойств породообразующих минералов из гомологичных осадочных пород лучломпольской свиты, прослеженных на поверхности, а также в разрезах СГ-3 и структурной скважины IX, были проведены геохимические и структурно-минералогические исследования главных породообразующих минералов осадочных пород этого уровня: калиевых полевых шпатов, кварца и карбонатов. По результатам исследований, минералы изученных разноглубинных пород, занимающих одинаковое положение в разрезе лучломпольской свиты, являются гомологичными. Изучение микроклина, кварца и доломита во всех образцах указывает на идентичность составов и спектроскопических свойств поверхностных и приповерхностных минералов. На уровне дефектной структуры обнаруживаются определенные их отличия от глубинных гомологов в разрезе СГ-3. Выявленные структурные отличия проявляются для микроклина и доломита в степени дефектности кристаллической структуры: для микроклина она уменьшается с глубиной, а для доломита - растет, что обусловлено разной степенью метаморфических преобразований пород. Совместным действием метаморфизма и различных термодинамических параметров в процессе геологически длительного пребывания карбонатов на глубине (фактор глубинности) может быть обусловлено распределение примесных ионов марганца по возможным структурным позициям доломита. С аналогичным процессом связан сдвиг изоморфизма примесного алюминия в кварце в сторону щелочных разновидностей с ростом глубины залегания пород. К действию собственно глубинного фактора отнесены тенденции уменьшения с глубиной естественной доли парамагнитных алюминиевых центров в кварце и концентрации в нем кислородных вакансий.
Короткий адрес: https://sciup.org/14293829
IDR: 14293829
Текст научной статьи Свойства и структурные особенности породообразующих минералов раннепротерозойских осадочных пород из разреза СГ-3 и их поверхностных гомологов
срезана Южнопеченгской структурно-формационной зоной – сублинейным шовным прогибом; мощность разреза супракрустальных пород южнопеченгского комплекса достигает 5 км. На протяжении 800 млн лет Печенгская структурно-формационная зона была ареной проявления мощного эффузивного и интрузивного магматизма; первая при этом формировалась в интервале 2500-1905 млн лет, вторая – в интервале 19051700 млн лет ( Балашов , 1996). Благодаря своему положению в северном крыле Печенгской структуры (рис. 1), СГ-3 пересекает лишь породы северопеченгского осадочно-вулканогенного комплекса. Супракрустальные породы комплекса формируют четыре мегаритма (серии), в основании которых находятся осадочные свиты (ОС), а верхние части представлены вулканогенными свитами (ВС). В составе северопеченгского комплекса выделены снизу вверх четыре серии: ахмалахтинская (телевинская ОС и маярвинская ВС), куэтсярвинская (кувернеринйокская ОС, пирттиярвинская и оршоайвинская ВС), колосйокская (лучломпольская ОС и заполярнинская ВС) и пильгуярвинская (ждановская ОС, матертская и суппваарская ВС) ( Кольская сверхглубокая , 1998).
Нижняя часть разреза северопеченгского комплекса вскрыта также структурными буровыми скважинами IX и X, которые расположены практически по восстанию свит и горизонтов пород в разрезе СГ-3. Вертикальные скважины IX (глубина 1300 м) и X (глубина 1100 м) расположены, соответственно, в 8.5 и в 9.5 км к северо-северо-западу от СГ-3 (рис. 1). Наличие этих скважин является исключительно благоприятным фактором, обеспечивающим возможность выявления гомологичности глубинных, приповерхностных и поверхностных пород. Хорошо изученный по СГ-3 и по скважинам-сателлитам разрез осадочных пород ятулия (кувернеринйокская и лучломпольская ОС) обусловливает достаточно жесткую, точную привязку сопоставляемых образцов керна скважин, что позволяет обсуждать особенности изменения пород этого возраста по разрезу с точностью до нескольких метров.
Следует также отметить, что на глубине около 4300.0-4900.0 м в разрезе супракрустальных пород СГ-3 отмечена мощная тектоническая зона рассланцевания и разуплотнения пород, связанная с зоной влияния крупного Лучломпольского разлома. Ранее, при составлении проектного разреза СГ-3, предполагалось, что сочетание наклонных и горизонтальных сейсмических площадок на глубине 4500.0 м фиксирует подошву разреза Печенгской структуры, а расположенная ниже область пониженных скоростей отвечает "гранитному" слою. Однако петрофизические исследования керна показали, что уменьшение скорости продольных упругих волн (от 6.5-7.0 до 6.3-5.3 км/с) вызвано увеличением пористости преобладающих здесь базитов (от 0.5 до 3 %) и ростом количества открытых трещин (от 0.01 до 0.7 м/м).
-
1 – дациты и риолиты Порьиташского субвулканического комплекса;
-
2 – диориты и граниты раннепротерозойских гранитных куполов;
-
3 – местоположение, соответственно, Кольской сверхглубокой скважины (а), структурных скважин IX (б) и Х (в);
-
4 – осадочно-вулканогенные породы южнопеченгского комплекса;
5-8 – осадочно-вулканогенные породы северопеченгского комплекса:
-
5 – базитовые породы суппваарской, матертской и заполярнинской вулканогенных свит;
-
6 – базальты, трахибазальты и трахиандезиты оршоайвинской и пирттиярвинской вулканогенных свит;
-
7 – андезибазальты и андезиты маярвинской вулканогенной свиты;
-
8 – осадочные и туфогенно-осадочные породы ждановской (продуктивной), лучломпольской, кувернеринйокской и телевинской осадочных свит;
-
9 – слюдистые гнейсы тальинской свиты, 10 – габбро-нориты интрузии
г. Генеральской;
-
11 – гнейсы и амфиболиты архейского фундамента;
-
12 – дизъюнктивные нарушения;
-
13 – взбросо-надвиги.
Рис. 2. Литолого-стратиграфическая колонка пород лучломпольской осадочной свиты в Кольской сверхглубокой скважине СГ-3 и в структурной буровой скважине IX.
Условные обозначения:
-
1 – вулканогенные породы заполярнинской свиты (а) и дацитовые порфириты силлоподобного тела (b);
-
2 – песчаники метапсамитовые (а), аркозовые (b);
-
3 – кварцито-песчаники (а), грубозернистые песчаники и гравелиты (b);
-
4 – метаалевриты и метаалевролиты (a), метапелиты (b);
-
5 – доломиты (a) и кварцевые доломиты (b);
-
6 – туфогенные сланцы;
-
7 – присутствие в породе мусковита (a) и серицита (b);
-
8 – присутствие в породе графита (a) и карбоната (b);
-
9 – присутствие в породе хлорита (a) и талька (b);
-
10 – присутствие в породе тремолита (a) и рудных минералов (b);
-
11 – интенсивное рассланцевание пород;
-
12 – точки отбора проб.
К этой зоне тектонизированных пород относятся и выбранные нами для исследования осадочные породы из разреза лучломпольской свиты. Детальные геофизические исследования в зоне СГ-3 подтвердили, что основные сейсмические границы, подсеченные на глубине этой скважиной, связаны с изменениями упругих свойств среды, вызванными не только различием состава пород (литологостратиграфические границы), но и резким изменением их физического состояния – катаклазом, рассланцеванием, а также динамотермальным метаморфизмом.
Целью проведенного иcсследования было сопоставление свойств породообразующих минералов из разноглубинных горизонтов осадочных пород лучломпольской свиты, хорошо прослеженных в разрезах СГ-3, структурной скважины IX и на поверхности, в районе заложения скважины IX. Были изучены кристаллохимические особенности главных минералов осадочных пород этого уровня – калиевых полевых шпатов и кварца. Кроме того, были исследованы доломиты из карбонатных пород лучломпольской осадочной свиты в сравнении с их гомологами из более ранней кувернеринйокской осадочной свиты.
Кристаллохимические особенности различных минералов широко используются в практике геолого-минералогических исследований, поскольку они несут информацию как о метаморфических преобразованиях вмещающих пород, так и об условиях кристаллизации самих минералов. Кроме того, эти исследования позволяют оценить степень сохранности геохимической и структурной информации в зависимости от глубинности гомологичных пород и минералов-индикаторов близповерхностного и глубинного режимов петро- и минерагенеза.
Разрез лучломпольской свиты. Разрез лучломпольской осадочной свиты характеризуется достаточно пестрым и дифференцированным набором осадочных пород, что облегчает выделение, сопоставление и корреляцию гомологичных объектов. Верхнеятулийские осадочные породы лучломпольской свиты залегают на осветленной коре выветривания щелочных базальтов и муджиеритов оршоайвинской вулканогенной свиты и в свою очередь перекрываются ферропикритами и толеитовыми базальтами заполярнинской вулканогенной свиты. Мощность свиты варьируется в широких пределах – от 50 до 400 м, поскольку распределение мощностей и фациальных типов осадков контролировалось контрастными конседиментационными тектоническими перемещениями блоков архейского фундамента при формировании Печенгской структуры. Терригенные и карбонатные породы свиты подсечены скважиной СГ-3 в интервале 4783.5-4884.0 м. Их поверхностные и приповерхностные гомологи установлены в обнажениях к северу от СГ-3, а также подсечены вертикальной структурной скважиной-сателлитом IX (рис. 1). По границе лучломпольской и заполярнинской свит в районе СГ-3 внедрилось силлоподобное интрузивное тело дацитовых порфиритов мощностью около 110 м.
Осадочные породы свиты представлены красноцветными гематит- и магнетитсодержащими аркозовыми песчаниками и гравелитами, красноцветными доломитами и доломитовыми песчаниками, а также туфогенными хлорит- и тальксодержащими песчаниками и хлорит-карбонатными сланцами. Основной объем терригенных и карбонатных пород представлен типичными красноцветами. Терригенные осадки свиты характеризуются широким развитием косослоистых и волнистых текстур, знаков ряби и трещин усыхания, позволяющих рассматривать их как комплекс потоковых и дельтовых мелководных фаций.
Мощность осадков лучломпольской свиты в разрезе СГ-3 составляет 100.5 м. В составе разреза выделяются карбонатный (интервал 4783.5-4805.0 м) и терригенный (интервал 4805.0-4884.0 м) горизонты пород (рис. 2). Карбонатные породы представлены серыми и светло-розовыми тонкослоистыми доломитами с примесью кварцевого материала алевритовой и псаммитовой размерности. Слоистость подчеркнута тонкодисперсным гематитом, неравномерно распределенным в породе.
Терригенный горизонт в основном сформирован грубозернистыми гематит-магнетитовыми аркозовыми песчаниками с прослоями кварц-карбонатных песчаников, слюдистых метаалевролитов и углеродистых сланцев. В кровельной части горизонта задокументирован прослой мусковитсодержащих кварц-карбонатных псаммитовых песчаников мощностью около 4 м. Далее по разрезу в интервале 4805.0-4846.0 м следует пачка аркозовых псаммитовых и псефитовых мусковитсодержащих карбонат-кварц-полевошпатовых песчаников с прослоями серицит-углеродистых метапелитовых сланцев (интервалы 4812.5-4815.0 м и 4817.5-4825.5 м). Карбонатсодержащие аркозовые песчаники сменяются полевошпат-кварцевыми разновидностями (интервал 4846.0-4882.5 м). В основании разреза залегает прослой метаалевролитовых слюдистых сланцев мощностью 1.5 м.
Осадочные породы лучломпольской свиты в разрезе скв. IX задокументированы в интервале 20-400 м (рис. 2). Здесь осадки карбонатного и терригенного горизонтов отличаются повышенными мощностями и значительным фациальным разнообразием, по сравнению с гомологичными породами разреза СГ-3. Разрез карбонатного горизонта (интервал 20.0-215.0 м) представлен мономинеральными доломитами, хлорит-карбонатными и тальк-хлорит-карбонатными сланцами (метатуффитами), хлорит-карбонатными метаалевритами и метаалевролитами с углеродистым материалом, а также серицит- и хлоритсодержащими кварц-карбонатными песчаниками. Карбонатные породы содержат значительную примесь туфогенного материала базальтового и пикробазальтового состава. Основная часть разреза свиты сложена грубозернистыми магнетит-гематитовыми аркозовыми песчаниками и гравелитами (интервал 215.0-400.0 м) с маломощными прослоями, особенно в основании разреза, серицитовых метаалевролитов и метапелитов. В интервале 215.0-284.0 м песчаники и гравелиты обогащены хлоритом, что указывает на существенную примесь туфогенного базальтоидного материала. Песчаники и гравелиты фиолетового и розоватофиолетового цвета сложены слабо окатанным кварц-полевошпатовым материалом, сцементированным алевропелитовым веществом со значительным содержанием тонкодисперсного гематита и магнетита.
Таким образом, осадочные породы лучломпольской свиты в разрезах СГ-3 и скв. IХ весьма сходны, но не идентичны. Расположенные почти в 10 км севернее СГ-3 осадки, вскрытые скв. IX, отличаются по мощностям, степени дифференциации и по влиянию сопутствующих вулканогенных процессов. В связи с этим мощность карбонатного горизонта в разрезе скв. IX возросла на порядок, по сравнению с разрезом СГ-3, и если в последнем практически не удалось установить примесь туфогенного материала, то в разрезе структурной скважины карбонатный горизонт почти полностью состоит из карбонатсодержащих туффитов со значительной примесью туфогенного базальтоидного материала. В то же время особенности строения терригенного горизонта лучломпольской свиты в обоих сравниваемых разрезах близки. И в скв. IX, и в СГ-3 терригенные осадки представлены, в основном, магнетит-гематитовыми аркозовыми песчаниками с прослоями кварц-карбонатных песчаников, слюдистых метаалевролитов и углеродистых сланцев. Осадки лучломпольской свиты в СГ-3 и скв. IХ вполне отвечают понятию гомологичности.
2. Методы исследования
Исследования проведены на мономинеральных препаратах микроклина, кварца и доломитов, выделенных в Геологическом институте КНЦ РАН (г. Апатиты). Химический и рентгеноструктурный анализ мономинеральных образцов был в основном произведен также в лабораториях Геологического института КНЦ РАН. Полный химический анализ образцов (аналитик Л.И. Константинова) методом мокрой химии дополнялся данными рентгеновского микрозонда на микроанализаторе MS-46 CAMECA (аналитик Е.Э. Савченко). Для определения степени триклинности микроклинов и степени Al-Si упорядоченности их структуры применен рентгенометрический анализ методом Дебая-Шерера (диффрактометр ДРОН-2.0, Cu-Kα излучение, 30 кВ, 30 мА, скорость счетчика равна 0.5 град/мин). Для уточнения фазового состава карбонатов использовалась также аналитическая база Института геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар): ИК-спектроскопия (Specord M-80) и порошковая рентгеновская дифрактометрия (ДРОН-3, Cu-Kα).
Спектроскопическое изучение кристаллохимических особенностей минералов произведено на аппаратуре Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Кварц и карбонаты из пород по разрезу СГ-3 и из их поверхностных гомологов изучались методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Специально подобранные режимы отжига и облучения образцов ионизирующей радиацией позволили оценить с помощью отраслевых эталонов ВИМС ( Концентрационные измерения… , 1986) концентрации в кварце собственных и примесных дефектов. Облучение кварца производилось γ -квантами в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте на установке МРХ- γ -20, изотоп 60Со, мощность дозы – 20 рад/с (низкие дозы) или 70 рад/с (высокие дозы). Спектры ЭПР регистрировались на серийном радиоспектрометре SE/X 2547 (RadioPAN, Польша) в порошковых препаратах кварца при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота. Навеска порошка составляла приблизительно 200 мг. Погрешность измерения концентраций центров без учета систематической ошибки их содержания в эталоне – около 5 %, абсолютное значение концентраций центров в большинстве случаев оценивалось с погрешностью, близкой к 20 %.
Спектроскопические исследования микроклина и доломитов произведены методом рентгенолюминесценции (РЛ), на оригинальной аппаратуре, построенной на базе монохроматора AAS-1 (Carl Zeiss, Jena), оптическое свечение минералов возбуждалось рентгеновским излучением аппарата УРС-1,0 (трубка БСВ-2, Fe-антикатод, 50 кВ; анодный ток – 14 мА). Аппаратура позволяла регистрировать люминесценцию в спектральном диапазоне 240-830 нм. Оптическое излучение регистрировалось с помощью аппарата ФЭУ-106. Стабилизация спектрального состава люминесценции достигалась предварительной одночасовой рентгенизацией. Осуществлялась коррекция спектров на спектральную чувствительность установки, а также дальнейшая компьютерная обработка по декомпозиции спектральных контуров на элементарные площади, определение площадей под каждым из них.
Для получения мономинеральных фракций необходимо использовать хорошо раскристаллизованные разновидности осадочных пород. В связи с этим среди пород лучломпольской свиты было выбрано два реперных уровня:

Рис. 3. Шлифы аркозовых песчаников из (сверху вниз): поверхностных обнажений (обр. А - 1), скв. IX (обр. IX-309.1) и СГ-3 (обр. СГ - 4862.6). Слева николи +, справа - ||
– грубозернистые псефитовые и псаммитовые аркозовые песчаники, прослеженные в разрезах СГ-3 (обр. СГ-4840.2, СГ-4871.2, СГ-4879.8), скв. IX (обр. IX-304.8 и IX-328.1) и в коренных обнажениях на поверхности в 9 км к северу от СГ-3 (обр. А-1 и А-2). Из аркозовых песчаников этого уровня отобраны идентичные мономинеральные фракции микроклина и кварца. Характерные шлифы этих пород представлены на рис. 3;
– доломитовые толщи в разрезах скв. СГ-3 (обр. СГ-4794.0) и IX (обр. IX-128.1; IX-146.5; IX-175.8; IX-183.1 и IX-188.1). Для сравнения кристаллохимических характеристик разноглубинных карбонатов использованы также породы нижней кувернеринйокской осадочной свиты, представленные в разрезе СГ-3 в интервале 5642.0-5717.0 м (образцы СГ-5660.8, СГ-5681.7 и СГ-5688.3), а также в поверхностных обнажениях к северу от СГ-3 (обр. КП и 98/74). Карбонатный горизонт в лучломпольской свите значительно наращивает свою мощность по мере продвижения к поверхности. В отличие от приповерхностных гомологов, доломитовые толщи в разрезе СГ-3 обогащены кварцем и полевыми шпатами.
Цифровой код в шифровке образцов из разрезов скважин является глубиной в метрах, откуда был поднят керн.
Рассмотрим особенности петрографии типичных разноглубинных образцов псаммитовых существенно микроклиновых аркозовых песчаников (рис. 3).
Структура аркозового песчаника поверхностного уровня (обр. А-1) крупно-мелкопсаммитовая с базальным цементом. Минеральный состав (объемных %): микроклин – 32; плагиоклаз – 8; кварц – 40; серицит – 10; магнетит – 10.
Микроклин представлен окатанными (мелкие зерна) и слабоокатанными субтаблитчатыми зернами размером 0.1-1.5 мм с хорошо заметной двойниковой решеткой, а также (вместе с кварцем) мелкими угловатыми обломками размером менее 0.05 мм в интерстициях более крупных зерен кварца и плагиоклаза; обломки сцементированы пелитовым веществом цемента со значительным содержанием тонкодисперсного магнетита.
Аркозовый песчаник приповерхностного уровня (обр. IX-309.1) имеет крупномелкопсаммитовую, местами псефитовую (размер зерен 0.2-5.0 мм) структуру с базальным цементом. Минеральный состав (объемных %): микроклин – 30; плагиоклаз – 10; кварц – 42; серицит – 10; магнетит – 8. Микроклин наблюдается в виде слабоокатанных субтаблитчатых зерен размером, в среднем, 0.5-1.2 мм, с хорошо заметной двойниковой решеткой, а также в виде мелких угловатых обломков в интерстициях хорошо окатанных зерен кварца; эти обломки сцементированы алевропелитовым веществом цемента.
Структура рассланцованного аркозового песчаника абиссального уровня (обр. СГ-4862.6) – мелкопсаммитовая (размер зерен 0.1-0.2 мм) с базальным цементом. Минеральный состав (объемных %): микроклин – 20; плагиоклаз – 15; кварц – 38; серицит – 12; магнетит – 15. Микроклин наблюдается в виде пелитизированных слабоокатанных овальных и субизометричных зерен с отчетливой двойниковой решеткой. Микроклин частично развальцован и с периферии иногда гранулирован. Цемент тонкозернистый, серицитсодержащий. В цементе присутствует значительное количество (до 15 %) тонкодисперсного магнетита. В процессе рассланцевания наблюдается концентрация кварца, серицита и магнетита в полосовидные и струйчатые агрегаты.
Таким образом, можно констатировать, что петрографические особенности аркозовых песчаников из поверхностных обнажений, из приповерхностной зоны (разрез скв. IX) и из абиссальной зоны (разрез СГ-3) практически аналогичны.
3. Результаты исследований
Микроклин. В табл. 1 приведены химический состав микроклинов из аркозов поверхностных обнажений (обр. А-1), из их гомологов по разрезу скважин IX (обр. IX/304.8 и IX/328.1) и СГ-3 (обр. СГ-4840.2, СГ-4871.2 и СГ-4879.8) и данные микрозондовых анализов, полученные на микроанализаторе MS-46 CAMECA. Микроклины всех уровней отличаются близостью химических составов, но в то же время обладают и некоторыми специфическими особенностями. Согласно данным химического анализа, с увеличением глубины наблюдается заметный рост содержания железа в микроклинах. Однако микрозондовые анализы это не подтверждают. Микроклины поверхностного и близповерхностного уровней несколько богаче кальцием, калием и незначительно обеднены натрием.
Важнейшими структурными характеристиками микроклинов являются степени триклинности и Al-Si упорядоченности кристаллической решетки минерала. Расчет этих параметров производился по измеренным межплоскостным расстояниям и углам рефлексов от определенных плоскостей согласно стандартной методике ( Рентгенография… , 1983). Степень триклинности (Δ p ) минерала возрастает пропорционально разности расстояний между плоскостями (1-31) и (131):
Δ p = 12.5 ( d 1-31 – d 131 ). (1)
Степень Al-Si упорядоченности σ p пропорциональна разности углов дифракции 2 Θ от плоскостей (060) и (-204):
σ p = 2.94 (9.063 + 2 Θ 060 – 2 Θ -204 ). (2)
Коэффициенты пропорциональности и добавочная константа в формулах (1) и (2) выбраны таким образом, что значения степеней триклинности и Al-Si упорядоченности в микроклинах с максимально упорядоченной кристаллической решеткой равны единице, а в полностью разупорядоченных разностях обращаются в ноль.
Результаты определения степени триклинности микроклинов и степени их Al-Si упорядоченности, приведенные в табл. 2, показывают, что микроклины различной глубинности не имеют существенных различий ни по степени триклинности, ни по степени Al-Si упорядоченности. Независимо от глубины вмещающих аркозовых пород, они представлены максимально упорядоченными разновидностями, в которых значения Δ p и σ p равны или почти равны 1.0. По химическому составу и структурным параметрам микроклин аркозовых песчаников в разрезах СГ-3, скв. IX и на поверхности не имеет существенных отличий и по этим признакам вполне соответствует предположению о гомологичности вмещающих пород.
Изучение микроклина методом рентгенолюминесценции показывает, что независимо от глубины залегания вмещающих аркозовых песчаников образцы микроклина характеризуются однотипными спектрами РЛ. Главной их особенностью является широкая асимметричная полоса излучения в области 400 нм, осложненная по краям дополнительными малоинтенсивными полосами. Известно, что в микроклинах самого различного происхождения доминирует свечение на кислородных центрах, более соответствуя конституционным, а не типоморфным признакам минерала ( Горобец, Рогожин , 2001). Поэтому внешняя схожесть спектров РЛ данных образцов микроклина не является прямым доказательством существования гомологического ряда. Кроме того, наблюдаются некоторые отличия в спектральном составе люминесценции образцов с разных глубин. Эти отличия заметно превышают вариации характеристик свечения внутри изученных пар образцов, представляющих различные глубины – поверхность, 300.0-330.0 м в разрезе скв. IX и 4870.0-4880.0 м в разрезе СГ-3.
Таблица 1. Химический состав (мас. %) микроклинов из аркозовых песчаников лучломпольской свиты поверхностных и из скважин IX и СГ-3
Компонент |
Химический анализ |
Микрозондовый анализ 1 |
|||||||
А-1 |
IX-304.8 |
СГ-4871.2 |
А-1 |
IX-304.8 |
IX-328.1 |
СГ-4840.2 |
СГ-4871.2 |
СГ-4879.8 J |
|
SiO 2 |
65.42 |
65.39 |
65.5 |
64.51 |
63.81 |
64.88 |
64.36 |
64.64 |
64.69 |
TiO 2 |
0.05 |
0.05 |
0.19 |
0.0 |
0.0 |
0.0 |
0.0 |
0.0 |
0.0 |
Al 2 O 3 |
18.71 |
19.57 |
19.72 |
18.43 |
18.09 |
18.01 |
18.45 |
18.47 |
18.61 |
Fe 2 O 3 |
0.15 |
0.22 |
0.35 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
FeO |
0.07 |
0 |
0.07 |
0.03 |
0.00 |
0.03 |
0.00 |
0.04 |
0.00 |
MnO |
0 |
0 |
0 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
MgO |
0.02 |
0 |
0.02 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
CaO |
0.23 |
0 |
0.1 |
0.06 |
0.07 |
0.04 |
0.00 |
0.00 |
0.04 |
ВаО |
– |
– |
– |
0.49 |
0.71 |
0.43 |
0.44 |
0.40 |
0.49 |
Na 2 O |
0.28 |
0.21 |
0.2 |
0.19 |
0.19 |
0.19 |
0.22 |
0.20 |
0.24 |
K 2 O |
15.05 |
14.75 |
14.2 |
16.45 |
16.69 |
16.46 |
16.38 |
16.19 |
16.15 |
Li 2 O |
0.0001 |
0.0001 |
0.0 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
Rb 2 O |
0.031 |
0.045 |
0.012 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
Cs 2 O |
0.0 |
0.0008 |
0.0012 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
Сумма |
100.01 |
100.24 |
100.42 |
100.16 |
99.55 |
100.04 |
99.84 |
99.95 |
100.21 |
Таблица 2. Характеристики рефлексов на дифрактограммах, степени триклинности и Al-Si упорядоченности структуры микроклинов из аркозовых песчаников лучломпольской свиты
hkl |
А1 |
IХ-304.8 |
СГ-4871.2 |
|||
I 0 |
2 Θ |
I 0 |
2 Θ |
I 0 |
2 Θ |
|
-201 |
20 |
21.06 |
20 |
21.09 |
19 |
21.08 |
130 |
22 |
23.28 |
22 |
23.28 |
22 |
23.28 |
-130 |
21 |
24.04 |
20 |
24.06 |
19 |
24.06 |
040 |
100 |
27.52 |
100 |
27.52 |
100 |
27.50 |
1-31 |
27 |
30.28 |
23 |
30.28 |
24 |
30.28 |
131 |
21 |
29.50 |
18 |
29.50 |
20 |
29.50 |
060 |
26 |
41.88 |
23 |
41.88 |
21 |
41.88 |
-204 |
29 |
50.62 |
28 |
50.60 |
24 |
50.60 |
Δ p |
0.95 |
0.95 |
0.95 |
|||
σ p |
0.95 |
1.00 |
1.00 |
Спектральные контуры свечения хорошо описываются суммой четырех гауссовых компонентов (рис. 4). Максимум ( λ max) малоинтенсивной коротковолновой полосы расположен в области 280-290 нм, ее полуширина ( ∆ λ ) составляет около 50 нм. Излучение в этой полосе связано с примесными ионами Tl+ и/или Pb2+, изоморфно входящими в структуру минерала. Асимметричная интенсивная полоса состоит из двух близко расположенных полос с λ max в интервалах 410-415 и 450-475 нм и, соответственно, полуширинами, равными 70-90 и 130-150 нм. Эти полосы связаны с собственными кислородными центрами типа O*, причем более коротковолновая и узкая полоса относится к кислородным центрам в составе кремнекислородных структурных тетраэдров (О Si *), а более длинноволновая и широкая – к таким же центрам в алюмокислородных (О Al * ) тетраэдрах. Точное определение вклада каждой из полос O* в наблюдаемый контур затруднено, поэтому в дальнейшем используется сумма интегральных интенсивностей (т.е. площадей) этих полос. Длинноволновая полоса ( λ max = 690-700 нм, ∆ λ = 120-140 нм) связана с присутствием в структуре микроклина изоморфных ионов Fe3+.
Усредненные спектры пар образцов микроклина из поверхностных обнажений (A-1), из пород скважин IX и СГ-3 приведены на рис. 5. Интегральные интенсивности полос РЛ в процентах от суммарной яркости свечения всех полос даны в табл. 3. На 80-90 % свечение обязано кислородным дефектам в структуре микроклина. Наиболее высокое оно у микроклинов скв. IX, минимальное – у их гомологов из разреза СГ-3. В образцах из СГ-3 несколько повышено излучение на ионах Fe3+, что хорошо видно на рис. 5. Минимальный вклад полосы на ионах Fe3+ наблюдается у микроклинов из скв. IX.
Дополнительно изучена кинетика разгорания полосы кислородных центров. Она характеризуется начальным скачком интенсивности РЛ в момент включения рентгеновского возбуждения с последующим плавным увеличением до стационарного значения. Приближенно кинетика разгорания описывается выражением ( Вотяков и др. , 1984):
I ( t ) = I ∞ – ( I ∞ – I 0 )e- t / τ , (3)
где I ∞ – стационарное значение РЛ; I 0 – амплитуда скачка интенсивности РЛ в самом начале рентгеновского возбуждения; t – время; τ – временной параметр. Параметры временной ( τ ) и амплитудный ( α = 1 – I 0 / I ∞) – наиболее удобные характеристики кинетики РЛ, так как слабо зависят от чувствительности аппаратуры. По кривым разгорания РЛ более точно определяется амплитудный скачок α , его величина уменьшается с ростом концентрации структурных дефектов в кристалле, составляющих конкуренцию процессу сенсибилизации центра свечения, в данном случае – кислородных центров. Результаты измерений (табл. 3) показывают, что при внешнем подобии кислородные полосы характеризуются различной кинетикой разгорания. Параметр α у образцов поверхностных и из скв. IX различается незначимо. Но у глубинных микроклинов из аркозовых песчаников разреза СГ-3 он заметно выше (табл. 3).
Таким образом, кристаллическая решетка микроклинов из разреза СГ-3 характеризуется меньшей дефектностью в сравнении с приповерхностными микроклинами. С этим согласуются также более низкие вклады в спектр РЛ полос примесной люминесценции микроклинов из аркозов СГ-3.
Таблица 3. Характеристика рентгенолюминесценции образцов микроклина из аркозовых песчаников лучломпольской свиты поверхностных и из скв. IX и СГ-3
Образец |
Яркость |
Вклад полос в РЛ, % |
α |
||
РЛ, у.е. |
Tl+, Pb2+ |
O* |
Fe3+ |
||
А-1 |
2300 |
2.7 |
87 |
11 |
0.62 |
А-2 |
2700 |
3.1 |
82 |
15 |
0.61 |
IX-304.8 |
2300 |
3.7 |
91 |
6 |
0.54 |
IX-328.1 |
2300 |
1.6 |
88 |
10 |
0.57 |
СГ-4871.2 |
1800 |
2.4 |
85 |
13 |
0.72 |
СГ-4879.8 |
2200 |
2.0 |
81 |
17 |
0.73 |
Кварц. Содержание кварца в аркозовых песчаниках составляет около 40 %. Основным методом изучения структурных дефектов в кварце был метод электронного парамагнитного резонанса. К преимуществам метода относятся селективная регистрация различных дефектов и сравнительно низкая чувствительность к посторонним немагнитным минеральным фазам.
В спектрах ЭПР образцов кварца из пород раннепротерозойского возраста зарегистрированы только примесные Al-центры и дефекты вакансионной природы – E1'-центры. Ge- и Ti-центры, широко распространенные, по нашим данным, в кварце погребенных архейских толщ региона, в образцах кварца из протерозойских пород не обнаружены.
Е 1 -центры можно рассматривать как одиночные вакансии кислорода в кремнекислородном тетраэдре, образованные в результате радиационного воздействия на кварц. Регистрация вакансий кислорода возможна при захвате электронов с переходом дефекта в парамагнитную форму – Е 1 '-центры. Для реализации этого перехода был применен термический отжиг образцов на воздухе (300°С, 20 мин.) ( Моисеев , 1985; Раков , 1989). Измеренная таким образом концентрация E 1 '-центров является мерой количества в кварце равновесных кислородных вакансий, образованных в результате природной радиации.

Рис. 4. Спектральный состав рентгенолюминесценции микроклина: декомпозиция спектра на гауссовы компоненты

Рис. 5. Спектры рентгенолюминесценции образцов микроклина из поверхностных обнажений, из пород скв. IX и СГ-3
Результаты измерений концентрации E1'-центров в образцах кварца из аркозовых песчаников различной глубинности приведены в табл. 4 и на рис. 6. Видно, что кварц в каждой из трех групп образцов весьма однороден и характеризуется попарно близкими содержаниями Е 1 '-центров в каждой группе образцов одинаковой глубинности, причем степень этой однородности выше для поверхностных и приповерхностных образцов. Кварцы из аркозовых песчаников поверхностных обнажений близки кварцам из песчаников скв. IX, но те и другие существенно отличаются от гомологичных кварцев из песчаников СГ-3. Результаты измерений позволяют проследить отчетливую зависимость концентраций Е1'-центров от глубинности образцов кварца. Можно констатировать, что с глубиной происходит постепенное уменьшение концентрации Е 1 '-центров, т.е. залечивание вакансий кислорода в структуре кварца; этот факт обусловлен повышенными Р/Т условиями формирования пород и/или снижением палеодозы Е 1 -центров.
Примесный Al в структуре кварца занимает кремниевые позиции, а недостающий положительный заряд компенсируется щелочным ионом или же протоном, которые локализуются в больших каналах рядом с примесным тетраэдром. Парамагнитные кислородные центры вблизи иона алюминия, так называемые Al-центры, образуются из алюмощелочных комплексов при воздействии ионизирующей радиации. Для формирования парамагнитных Al-центров на других разновидностях дефектов необходим предварительный высокотемпературный отжиг образцов.
Для изучения Al-центров в кварце аркозовых песчаников была использована следующая методика. Содержание центров ( С ), замеренное в исходных пробах, указывает на величину современной природной радиации. Затем образцы облучаются дозой гамма-лучей в 30 Мрад, обеспечивающей полный переход регулярных алюмощелочных комплексов в парамагнитные Al-центры, их концентрация – Cγ . Отношение С / Cγ – степень облученности кварца; величина этого отношения определяется, прежде всего, мощностью потока природной радиации. Это отношение сильно зависит также от средней температуры кварца за время стабильности парамагнитного состояния Al-центров (по данным в литературе – около 5 млн лет).


Глубина,км
Рис. 7. Зависимость концентрационных параметров Al-центров в кварце от глубины погружения аркозовых песчаников лучломпольской свиты
Таблица 4. Концентрация парамагнитных центров в пробах кварца из аркозовых песчаников лучломпольской свиты поверхностных и из скв. IX и СГ-3
Образец |
E 1 '-центры, ppm |
Al-центры |
||||
Концентрация, ppm |
C / C γ |
CT γ / C γ |
||||
C |
C γ |
T γ |
||||
А 1 |
0.46 |
16 |
33 |
44 |
0.5 |
1.3 |
А 2 |
0.45 |
10 |
33 |
40 |
0.3 |
1.2 |
IX-304.8 |
0.43 |
19 |
29 |
87 |
0.7 |
3.0 |
IX-328.1 |
0.42 |
26 |
32 |
69 |
0.8 |
2.2 |
СГ-4871.2 |
0.12 |
0 |
11 |
23 |
0 |
2.1 |
СГ-4879.8 |
0.22 |
0 |
11 |
20 |
0 |
1.8 |
Примечание: С — естественная концентрация парамагнитных Al - центров; Су - концентрация алюмощелочных комплексов; C T Y - полная концентрация структурного алюминия в решетке кварца. Величина погрешности измерений без учета систематической ошибки концентрации центров в эталонном образце составляла 5-10 %, полная погрешность – 15-30 %.
Глубина,км
Рис. 6. Зависимость концентрации радиационных E1'-центров и естественной доли парамагнитных радиационно-наведенных Al-центров в кварце от глубины погружения аркозовых песчаников лучломпольской свиты
Затем образец отжигали в течение 1 ч при 1000°С и вновь облучали. Зарегистрированная концентрация ( CTγ ) характеризует общее количество примесного алюминия в кварце, а отношение ( CTγ /C γ ) растет с увеличением степени дефектности кварца и его насыщенности OH-группами. По некоторым данным, это отношение уменьшается с ростом температуры кристаллизации минерала ( Раков , 1989).
Измерения показывают (табл. 4, рис. 6, 7), что эффективность современного естественного образования парамагнитной формы Al-центров в кварце максимальна для близповерхностных образцов из скв. IX. В глубинных образцах кварца из разреза СГ-3 (глубина свыше 4800 м) парамагнитная форма Al-центров вообще не формируется. На поверхности отношение CT γ / C γ у кварца близко к единице (1.3-1.5). Резко повышается это отношение в кварце из скв. IX ( CT γ / C γ достигает 2-3), а в глубинном кварце (разрез СГ-3) оно снижается ( CT γ / C γ составляет 1.8-2.1), но остается более высоким, чем у поверхностных образцов. Эти данные указывают на понижение роли OH-групп в стабилизации замещающего алюминия в решетке кварца. Полная концентрация структурного алюминия (Al-центры, активированные высокотемпературным отжигом и облучением) также уменьшается с глубиной (рис. 7).
Карбонаты лучломпольской и кувернеринйокской осадочных свит. Химический состав всех изученных образцов карбонатов соответствует доломитам. Образцы доломитов из разноглубинных пород лучломпольской свиты скв. IX (табл. 5) имеют практически идентичный состав; их глубинные гомологи в СГ-3 отличаются избытком железа и дефицитом кальция и отчасти магния.
Химический состав доломитов из пород кувернеринйокской свиты поверхностного и глубинного (разрез СГ-3) уровней практически идентичен (табл. 6). Глубинные породы лишь несколько обеднены марганцем и кальцием.
Таблица 5. Химический состав доломитов из пород лучломпольской свиты скв. IX и СГ-3, мас. %
Компоненты |
Химический анализ |
Микрозондовый анализ |
||||||
IX-128.1 |
IX-146.5 |
IX-183.1 |
IX-188.1 |
IX/128.1 |
IX/183.1 |
IX/188.1 |
СГ-4794.0 |
|
SiO 2 |
0.45 |
0.65 |
0.60 |
0.69 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
TiO 2 |
<0.05 |
<0.05 |
<0.05 |
<0.05 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
Al 2 O 3 |
<0.60 |
<0.60 |
<0.60 |
<0.60 |
0.05 |
0.05 |
0.00 |
0.05 |
FeO |
0.16 |
0.29 |
0.26 |
0.24 |
0.08 |
0.24 |
0.00 |
1.33 |
MnO |
0.04 |
0.07 |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
0.05 |
0.04 |
0.11 |
MgO |
20.37 |
20.44 |
20.32 |
20.55 |
21.40 |
21.02 |
22.05 |
20.71 |
CaO |
31.89 |
30.65 |
31.42 |
31.38 |
30.27 |
31.39 |
31.13 |
29.74 |
Na 2 O |
<0.05 |
<0.05 |
<0.05 |
<0.05 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
K 2 O |
<0.05 |
<0.05 |
<0.05 |
<0.05 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
SrO |
<0.02 |
0.00 |
<0.02 |
<0.02 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
ВаО |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
CO 2 |
46.56 |
45.73 |
46.62 |
45.59 |
47.01 |
47.63 |
47.41 |
47.37 |
Сумма |
100.45 |
99.92 |
100.49 |
99.99 |
98.87 |
100.38 |
100.63 |
99.31 |
Таблица 6. Химический состав доломитов из пород кувернеринйокской свиты скв. СГ-3 и поверхностных обнажений, мас.%
Компоненты |
Химический анализ |
Микрозондовый анализ |
||
98/74 |
КП |
СГ-5660.8 |
СГ-5688.3 |
|
SiO 2 |
2.80 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
TiO 2 |
<0.05 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
Al 2 O 3 |
<0.60 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
Fe 2 O 3 |
0.23 |
0.10 |
0.224 |
0.30 |
MnO |
0.13 |
0.00 |
0.020 |
0.04 |
MgO |
19.88 |
21.31 |
21.42 |
21.21 |
CaO |
31.47 |
30.37 |
30.26 |
30.02 |
Na 2 O |
<0.05 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
K 2 O |
0.12 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
SrO |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
СО 2 |
43.52 |
47.28 |
47.39 |
47.07 |
Сумма |
98.85 |
99.16 |
99.31 |
98.64 |
Таблица 7. Примесные фазы и интегральные интенсивности (А) полос люминесценции карбонатов из пород кувернеринйокской и лучломпольской свит поверхностных, скв. IX и СГ-3
Проба |
Примесные фазы |
Рентгенолюминесценция |
|||||
ИКС |
Дифрактометрия |
РЛ |
Mn 2+ Mg |
Mn 2+ Ca |
CO 3 3- |
||
A, у.е. |
λm ax, нм |
A, у.е. |
A, у.е. |
||||
Кувернеринйокская свита |
|||||||
КП |
10 % Qu |
– |
не обн. |
1.3 |
666 |
0.07 |
0.03 |
98/74 |
2 % Qu |
– |
то же |
15.3 |
668 |
0.3 |
– |
СГ-5660.8 |
5 % Pl |
Qu+Pl |
Pl |
3.0 |
664 |
– |
0.02 |
СГ-5681.7 |
5 % Amph |
Amph |
не обн. |
1.8 |
660 |
– |
0.03 |
СГ-5688.3 |
40 % Amph |
Amph |
Pl |
3.5 |
652 |
– |
– |
Лучломпольская свита |
|||||||
IX-128.1 |
не обн. |
– |
не обн. |
7.8 |
667 |
– |
0.03 |
IX-146.5 |
то же |
– |
то же |
3.6 |
668 |
– |
0.02 |
IX-183.1 |
то же |
– |
то же |
8.9 |
668 |
сл. |
0.04 |
IX-188.1 |
то же |
– |
то же |
7.1 |
668 |
сл. |
0.03 |
СГ-4794.0 |
40 %(Qu+Pl) |
Qu+Pl |
Ap |
0.4 |
685 |
– |
– |
Примечание: Qu – кварц, Pl – плагиоклаз, Amph – амфибол, Ар – апатит. Прочерк – нет данных.
Доломитовая структура карбонатов подтверждена также данными ИК-спектроскопии и дифрактометрии. В составе проб с поверхности присутствует небольшая примесь кварца (табл. 7). Пробы СГ-5660.8, СГ-5681.7 доломитов кувернеринйокской свиты из разреза СГ-3 содержат небольшое количество плагиоклаза и амфиболита. К сожалению, сильно обогащены плагиоклазом и амфиболитом оказались пробы СГ-4794.0 и СГ-5688.3. Наличие посторонних примесей сильно повышает погрешность измерения интенсивности РЛ, в меньшей степени они сказываются на результатах исследований ЭПР.
Во всех спектрах РЛ основная полоса излучения связана с изоморфными ионами марганца в позиции магния и кальция структуры доломита. Основной вклад вносит излучение ионов марганца в позициях магния (рис. 8). Положение и полуширина этой полосы РЛ у приповерхностных образцов неизменны и составляют, соответственно, 670 нм и 80-95 нм. Достаточно уверенно полоса излучения ионов Mn2+, замещающих ионы кальция в структуре доломита, выявляется только у поверхностных образцов; возможно, она присутствует также у части образцов из разреза скв. IX (см. табл. 7). Положение этой полосы соответствует 580-590 нм, полуширина составляет около 70 нм.

Рис. 8. Пример декомпозиции спектрального состава РЛ доломита
Спектры РЛ всех исследованных образцов приведены на рис. 9. У образцов из пород СГ-3 положение максимума полосы РЛ Mn2+ и ее ширина заметно варьирует, что может быть объяснено наличием дополнительной люминесценции в данном спектральном диапазоне от посторонних примесей полевых шпатов.
В ряде образцов в ближнем ультрафиолете установлена слабо интенсивная широкая полоса с максимумом около 365 нм. Вероятно, она связана с собственными дефектами структуры минерала – СО 3 3--дефектами.
В спектре РЛ образца СГ-5660.8 в дальнем ультрафиолете присутствует полоса с максимумом около 270 нм, а в образце СГ-5688.5 – полоса с максимумом 400-460 нм. Такое излучение установлено во многих образцах плагиоклазов, как из пород СГ-3, так и из их гомологов. В образце СГ-4794.0 (см. рис. 9) полоса Mn слабая, а на ее фоне в ультрафиолетовом диапазоне проявлены узкие линии редкоземельных элементов (Gd3+ – 312 нм, Ce3+
–
360-410 нм, Dy3+ – 480 и 575 нм, Er3+ – 552 нм, Sm3+ – 600 и 645 нм). Положение в спектре этих линий соответствует апатиту. Другими методами примесь этого минерала в карбонатах не установлена.
Наличие в структуре доломитов изоморфных ионов марганца обнаруживается также методом ЭПР (рис. 10). Форма компонент спектра однозначно указывает на регистрацию суперпозиции сигналов от ионов марганца в позициях кальция и магния кристаллической структуры доломита. Спектр ионов Mn2+ в позиции Ca2+ состоит из шести узких сверхтонких компонентов. В случае иона Mn2+ в позиции Mg2+ вследствие более низкой локальной симметрии каждый компонент сверхтонкой структуры дополнительно расщеплен.

Рис. 9. Спектры РЛ карбонатов из пород кувернеринйокской (а, в) и лучломпольской (б, г) свит поверхностных обнажений (а) и скв. IX (б), СГ-3 (в, г)

300 320 340 360 В, мТ
Рис. 10. Типичные спектры ЭПР карбонатов из пород кувернеринйокской (обр. КП) и лучломпольской (обр. IX-146.5 и СГ-4794.0) свит
Численный анализ спектров проведен на высокополевых сверхтонких компонентах. Измеренные значения ширины (ΔB), интенсивности (А) линий иона Mn2+ в Ca- и Mg-позициях, а также величина интегральной интенсивности (S = A∙ΔB2), служащей мерой концентрации ионов марганца в соответствующих структурных положениях, приведены в табл. 8. По соотношению интенсивностей обоих спектров можно заключить, что подавляющая часть ионов марганца находится в позициях магния. Качественная оценка вклада структурных позиций кальция произведена по формуле:
D Ca = S (Mn2+ → Ca2+) / [ S (Mn2+ → Ca2+) + k ∙ S (Mn2+ → Mg2+)] ⋅ 100%, (4)
где k – коэффициент, учитывающий различие форм спектров ЭПР ионов в двух позициях ( k = 11). Этот вклад максимален в образцах с поверхности, в доломитах глубинных толщ типичное его значение находится на уровне первых процентов.
Tаблица 8. Параметры линий Mn2+ в спектрах ЭПР доломита из пород поверхностных и скв. IX, СГ-3
Спектры ЭПР карбонатов из пород скв. IX идентичны между собой по интенсивности и ширине линий, что однозначно свидетельствует в пользу гомогенности состава и идентичности структурных характеристик доломитов лучломпольской свиты на глубине 120-200 м. По сравнению с гомологичным образцом в разрезе СГ-3 (обр. СГ-4794.0) линии спектра ЭПР приповерхностных образцов значительно уже, а их интегральная интенсивность вдвое выше. В какой-то мере сравнительно низкая интенсивность линий ЭПР у обр. СГ-4794.0 связана с уменьшением доли карбоната в препарате за счет наличия значительного количества примесей кварца и плагиоклаза, а по данным РЛ и апатита. Собственные сигналы ЭПР этих фаз не наблюдались.
Доломиты из пород кувернеринйокской свиты характеризуются большей долей ионов марганца в кальциевых позициях по сравнению с образцами из пород лучломпольской свиты. При этом наибольшее представительство этих позиций наблюдалось в образцах с поверхности. Для доломитов из пород СГ-3 также характерна уширенность линий ЭПР. Рост ширины линий показывает прогрессирующее с
14-- 12-- 10-- 8- 6- 4.. 2 ■■ 0+ □ Поверхность Керн скважины IX Керн СГ-3 □ R = 0.98 Мп2+Мд, ЭПР, у.е. Рис. 11. Диаграмма интегральной интенсивности РЛ в полосе Mn2+ – концентрация (усл. ед.) этих ионов по данным ЭПР для образцов доломита из пород поверхностных, скв. IX и СГ-3 глубиной уменьшение степени совершенства кристаллической структуры карбоната обоих горизонтов.
Результаты измерения интенсивностей в полосе ионов Mn2+ методом РЛ и интенсивности линий этих ионов в спектрах ЭПР для приповерхностных образцов доломита хорошо скоррелированы (коэффициент корреляции равен 0.98, при
n
= 6) (рис. 11). Отметим, что все эти образцы с малым количеством примесных фаз. Точки, соответствующие образцам из пород СГ-3, формируют собственную автономную, относительно компактную группу, подчеркивая тем самым специфичность глубинных образцов в сравнении с их поверхностными и приповерхностными гомологами. Заниженные значения РЛ образцов из пород СГ-3 не могут быть полностью объяснены присутствием посторонних примесей.
Проба
Mn2 >Mg2
'
Mn2+→Ca2+
D
Ca,
%
А
, у.е.
Δ
B
, мТ1
S
, у.е.
А
, у.е.
Δ
B
, мТ1
S
, у.е.
Кувернеринйокская свита
КП
0.13
0.32
0.01
0.10
0.18
0.00
2
98/74
0.27
0.51
0.07
0.44
0.36
0.06
7
СГ-5660.8
0.15
0.54
0.04
0.08
0.30
0.01
1
СГ-5681.7
0.14
0.55
0.04
0.07
0.21
0.00
1
СГ-5688.3
0.16
0.44
0.03
0.36
0.20
0.01
4
Лучломпольская свита
IX-128.1
0.15
0.56
0.05
0.13
0.23
0.01
1
IX-146.5
0.11
0.49
0.03
0.05
0.25
0.00
1
IX-183.1
0.16
0.51
0.04
0.12
0.29
0.01
2
IX-188.1
0.16
0.49
0.04
0.13
0.23
0.01
2
СГ-4794.0
0.08
0.75
0.04
0.05
0.45
0.01
2
4. Обсуждение результатов Время от времени в науке появляются значительные явления, определяющие новые направления ее эволюции, будь то вновь открытые и осмысленные факты, новые идеи или новые методы. Если говорить о науках о Земле, то в одном ряду с такими значительными явлениями, как радиометрические измерения возраста пород, электронная микроскопия, сейсмическая томография и спутниковая геодезия, бесспорно, стоит сверхглубокое бурение. В конце минувшего века интерес к глубинному строению Земли нарастал, поскольку стало ясно, что только фундаментальные геологические знания о характере взаимосвязи абиссальных, близповерхностных и поверхностных оболочек литосферы позволят в перспективе удовлетворить потребности мирового сообщества в природных ресурсах, найти пути смягчения влияния природных и техногенных катастроф и эффективно прогнозировать глобальные изменения окружающей среды. За последнюю четверть века сначала в России, а затем и во всем мире выполнена беспрецедентная программа изучения глубинного строения континентальной земной коры, сопровождавшаяся бурением сверхглубоких скважин в наиболее важных геологических структурах. Самая глубокая скважина СГ-3 занимает, однако, особое место в глобальной системе изучения глубинного строения планеты. Это первая сверхглубокая скважина, пробуренная в кристаллических породах, причем пробуренная на Балтийском щите – весьма консервативном структурном элементе, сохраняющем свое строение на протяжении последних полутора миллиардов лет. Именно поэтому керновый материал СГ-3 является уникальным объектом для исследования и сопоставления тонких геохимических, структурных и физических характеристик пород и минералов раннепротерозойского и архейского комплексов земной коры.
Большое значение для выявления воздействия глубинного фактора на минералы путем сопоставления пород СГ-3 с их поверхностными и приповерхностными гомологами имеет правильное понимание гетерохронных процессов метаморфизма, преобразовавших протолиты раннепротерозойских комплексов. Метаморфическая зональность в породах Печенгской структуры, включавшая пренит-пумпеллиитовую, зеленосланцевую, эпидот-амфиболитовую и амфиболитовую фации, вначале рассматривалась как одноэтапная (
Загородный и др.
, 1964). Учитывая различный химизм метаморфических минералов,
Г.Г. Дук
(1977; 1989) выделяла уже две разновозрастные метаморфические зональности: раннюю андалузит-силлиманитового типа (~40 град/км,
Р
= 2-4 кбар), изограды которой совпадают со стратиграфическими границами, и более позднюю, кианит-силлиманитового типа (~30 град/км,
Р
= 3-6 кбар), с изоградами, секущими зональность первого типа. По геологическим и геохронологическим данным (
Беляев, Петров
, 1997) были выделены две структурно-метаморфические стадии эволюции Печенгской структуры: древнейшая с возрастом 2150-1750 млн лет, отражавшая ранний этап развития структуры и сопровождавшаяся накоплением осадочных и вулканогенных толщ и их метаморфизмом в условиях андалузит-силлиманитового типа метаморфизма; и более молодая, с возрастом 1750-1500 млн лет, сопровождавшаяся метаморфизмом кианит-силлиманитового типа с пиком этих событий, имеющим возраст 1650 ± 100 млн лет.
Детальное изучение метаморфизма пород по разрезу СГ-3 позволило А.А. Глаголеву (
Кольская сверхглубокая
, 1984) уточнить температурные фациальные границы в рамках разреза СГ-3: 0.0-1400.0 м – пренит-пумпеллиитовая фация; 1400.0-4900.0 м – фация зеленых сланцев (субфации: 1400.0-3200.0 м – эпидот-хлоритовая; 3200.0-4340.0 м – биотит-актинолитовая; 4340.0-4900.0 м – биотит-амфиболовая); 4900.0-6000.0 м – эпидот-амфиболитовая фация; ниже 6000.0 м – амфиболитовая фация. Исследования А.А. Кременецкого (
Кременецкий, Овчинников
, 1986) согласуются со схемой А.А. Глаголева, хотя породы с пренитом и пумпеллиитом относятся этим исследователем к низкотемпературной зоне фации зеленых сланцев. Кроме того, к эпидот-амфиболитовой фации отнесены породы в интервале 4563.09000.0 м, т.е. в отличие от схемы А.А. Глаголева, породы ниже 6000.0 м отнесены не к амфиболитовой, а к роговообманко-андезиновой зоне эпидот-амфиболитовой фации.
Ранее было показано, что метаморфизм печенгских пород нарастает в сторону контакта с архейскими породами (Дук, 1977; Казанский и др., 1985; Кольская сверхглубокая, 1984). Детальные исследования, однако, показывают, что проявления протерозойского метаморфизма в разрезе СГ-3 резко неоднородны, в сравнении с поверхностной латеральной метаморфической зональностью (Смульская и др., 2002). По данным этих исследователей, протерозойский геотермический градиент в СГ-3 составляет в среднем 30-40 град/км, однако при этом дважды отмечено его локальное возрастание до 70-80 град/км: на глубине 4300.0-4900.0 м и на глубине 6500.0-6900.0 м, в зоне контакта протерозойского комплекса с археем. В зоне Лучломпольского разлома минеральные ассоциации биотит-актинолитовой субфации зеленосланцевой фации замещаются ассоциациями эпидот-амфиболитовой фации. Ниже вплоть до рубежа 5550.0 м температура метаморфизма вновь соответствует уровню зеленосланцевой фации, а затем довольно резко нарастает по мере приближения к контакту с архейским комплексом. В интервале 5550.0-6050.0 м породы метаморфизованы в условиях, переходных от зеленосланцевой к эпидот-амфиболитовой фации, а километровая по мощности приконтактовая зона, включая и породы архейского комплекса, метаморфизована в условиях, переходных от эпидот-амфиболитовой к амфиболитовой фации, что соответствует геотермическому градиенту 70-80 град/км. Возрастание в СГ-3 протерозойского геотермического градиента в зоне влияния Лучломпольского разлома и в приконтактовой зоне было отмечено и ранее (Казанский и др., 1985) и объяснялось ''экранирующим действием разломов''. Следует отметить, что обе эти тектонические зоны отмечены не только катаклазом и рассланцеванием пород, но и интенсивной биотитизацией, а также аномально высоким соотношением He3/He4 (Икорский и др., 1994). По данным А.А. Кременецкого (Кременецкий, Овчинников, 1986), эти зоны являлись проводниками глубинных флюидных потоков, обеспечивших здесь локальное повышение температуры метаморфизма. Таким образом, рассматриваемые нами осадочные породы в разрезе скважины СГ-3 относятся, в основном, к продуктам метаморфизма эпидот-амфиболитовой фации. Это касается, прежде всего, горизонта крупнозернистых аркозовых песчаников из разреза лучломпольской свиты (интервал 4773.0-4884.0 м). Приповерхностные выходы гомологичных пород были метаморфизованы в условиях зеленосланцевой фации метаморфизма. В процессе исследований мы столкнулись с достаточно сложной задачей: идентифицировать и оценить степень влияния на физические и химические свойства минералов, с одной стороны, наложенного метаморфизма, а с другой – фактора глубинности, обусловленного последующим пребыванием пород в течение геологически длительного времени в глубинных повышенных Р-Т условиях.
Изучение микроклина, кварца и доломита во всех исследованных нами образцах указывает на идентичность составов и спектроскопических свойств минералов поверхностных, а также приповерхностных образований, подсеченных сателлитными структурными скважинами на относительно малых глубинах. Вместе с тем, в основном на уровне дефектной структуры, обнаруживаются определенные их отличия от гомологов из разреза СГ-3. Выявленные отличия могут характеризовать для разных минералов различную направленность петрогенеза и минерагенеза. Так, кристаллическая решетка микроклинов из разреза СГ-3 характеризуется меньшей дефектностью в сравнении с близповерхностными микроклинами; в то же время для карбонатов ситуация обратная. То и другое является возможным следствием различных условий метаморфизма пород на разных уровнях. Распределение ионов марганца почти исключительно в магниевых позициях доломита свидетельствует о низкой температуре кристаллизации или перекристаллизации этого минерала (
Calas
, 1988). При этом доломиты из нижней кувернеринйокской свиты, вероятно, подвергавшиеся более высокотемпературным преобразованиям, имеют более высокий вклад кальциевых позиций марганца в сравнении с доломитами лучломпольской свиты. Влияние современного фактора глубинности проявляется, вероятно, в небольшом снижении вклада кальциевых позиций в доломитах глубинных горизонтов кувернеринйокской свиты по сравнению с их поверхностными гомологами.
Довольно уверенно к действию глубинного фактора можно отнести тенденцию уменьшения с глубиной естественной доли парамагнитных алюминиевых центров в кварце, поскольку время жизни парамагнитного состояния этих дефектов даже в нормальных условиях (около 5 млн лет) пренебрежимо мало по сравнению со временем проявления последнего этапа метаморфизма (1650 млн лет). По-видимому, это относится к E
1
-центрам. Вакансии кислорода в решетке кварца – устойчивые образования, их время жизни при нормальных условиях оценивается в 1 млрд лет (
Моисеев
, 1985). Однако в условиях повышенных температур на глубинах 4800.0-4900.0 м они должны значительно быстрее залечиваться путем аннигиляции с междуузельными атомами кислорода или путем выхода на дислокации. Отметим, что именно на этой глубине зарегистрирована аномально высокая плотность теплового потока (
Кольская сверхглубокая
, 1998).
Сдвиг изоморфизма примесного алюминия в кварце в сторону щелочных разновидностей с ростом глубины залегания вмещающих толщ, по-видимому, обусловлен как различием степеней метаморфизма на разных глубинах, так и собственно глубинным фактором нарастания РТ-параметров вмещающих толщ. В близповерхностных условиях кварц мог насыщаться гидроксильными группами в результате метаморфических преобразований пород. С глубиной эффект снижался, вероятно, вследствие более низкой устойчивости к термическим факторам протонных разновидностей дефектов. Концентрации структурного алюминия (Al-центры, активированные высокотемпературным отжигом и облучением) также изменяются с глубиной аналогичным образом: максимум их содержания наблюдается в кварцах из скв. IX и минимум – у поверхностных образцов. В связи с попыткой оценить воздействие фактора глубинности на исследованные нами породы и минералы и отделить результаты этого воздействия от локального, избирательного метаморфического преобразования этих пород на различных уровнях, подчеркнем еще раз, что в интервале 4563.0-4900.0 м СГ-3 пересекает надвиговую тектоническую зону рассланцевания и разуплотнения пород. Проведенный структурно-метаморфический анализ керна СГ-3 (Казанский и др., 1985) позволил установить, что интенсивность деформации и перекристаллизации пород в этой зоне дискретно и скачкообразно меняется сверху вниз. Интервал проявления интенсивных деформаций, соответствующий положению зоны влияния крупного Лучломпольского разлома на границе оршоайвинской и заполярнинской свит северопеченгского комплекса, захватывает часть пород оршоайвинской свиты, целиком породы лучломпольской свиты, а также часть вышележащих пород заполярнинской свиты. Текстурноструктурные особенности деформированных горных пород в зоне влияния Лучломпольского разлома – четкая и закономерная ориентировка кварца, карбонатов, биотита, мусковита, хлорита и амфибола – однозначно свидетельствуют о том, что перемещения в зоне влияния разлома являлись синметаморфическими, и что направление движения было перпендикулярно простиранию плоскости разлома. Ниже зоны влияния разлома степень рассланцевания вулканитов оршоайвинской свиты уменьшается, и породы с реликтовыми текстурами лавовых пород преобладают над кристаллически-сланцеватыми разновидностями. Однако по минеральным парагенезисам и кристаллически-сланцеватые, и массивные, недеформированные вулканогенные породы равным образом метаморфизованы в эпидот-амфиболитовой фации. Проведенные В.И. Казанским исследования позволили конкретизировать и уточнить границу метаморфической зональности в подошве заполярнинской свиты: до отметки 4430.0 м проявления дислокационного метаморфизма ограничены локальными тектоническими швами, внутреннее строение которых определялось составом исходных пород; ниже этой отметки влияние петрографического состава отходит на второй план, и все породы деформируются с проявлением деформационных кристаллобластических структур, закономерной ориентировки минералов и анизотропии горных пород. Положение этой весьма значимой границы метаморфической зональности в подошве заполярнинской свиты подтверждается также результатами изучения анизотропии пород скважины СГ-3 акустико-поляризационным методом (Горбацевич и др., 1997); по результатам анализа на глубине 4430.0 м (мы хотели бы обратить внимание на резкость этой границы, не вполне понятную специалистам по региональному и даже динамотермальному метаморфизму) проходит граница, отделяющая нижележащие "существенно анизотропные породы" от вышележащих "преимущественно изотропных". Линейная акустическая анизотропия поглощения пород маярвинской, пирттиярвинской и оршоайвинской свит обусловлена действиями значительных по величине и градиенту палеонапряжений. Упруго-анизотропная модель разреза СГ-3 свидетельствует, что на глубине 4430.0 м (а также 10150.0 м) происходит "существенная смена палеотектонических режимов с изменением ориентации сил и деформаций". Характерен также рубеж 10150.0 м, ниже которого регистрируется иной "геодинамический тип пород". Хотелось бы отметить, что рубеж этот частично подтверждается и геологическими наблюдениями. В частности, некоторые гранитоидные и метасоматические породы, например, кварц-мусковитовые метасоматиты, связанные с временем пирттиярвинского вулканизма, наблюдаются в разрезе СГ-3 именно на этой глубине (Ветрин, Гороховский, 2002). Оба эти рубежа, в особенности рубеж 4430.0 м, связаны на Печенге, по нашим представлениям, со значительными субгоризонтальными перемещениями крупных тектонических блоков в постпирттиярвинское (но доматертское) время.
С позиций развиваемой в последние годы ''плюм-тектоники'' считается однозначно доказанным факт транзитного переноса никеля, кобальта, меди, золота и платиноидов восстановительными глубинными флюидами, имевшими мантийное происхождение, и частичного отложения рудных элементов на стадии окисления этих флюидов в виде своеобразных высокоуглеродистых метасоматитов (
Летников и др
., 1996;
Летников, Дорогокупец
, 2001;
Летников
, 2001). Процесс этот мог бы объяснить широкое и повсеместное распространение углеродистого вещества в осадочных печенгских породах в постпирттиярвинское время, а также появление в это же время на Печенге интрузивной габбро-верлитовой ассоциации с ее крупными месторождениями медно-никелевых руд.
Что же касается резкости границ метаморфизма и степени акустической анизотропии пород в упомянутых тектонических зонах, то их можно объяснить проявлением так называемой складчатости основания (
Обуэн
, 1967), хорошо знакомой европейским геологам, изучавшим интракратонные складчатые области "парагеосинклиналей" ("негеосинклиналей", по представлению Штилле (
Stille
, 1940)). Геологи старой европейской школы прекрасно изучили не столь уж редкие случаи, когда, помимо классической изоклинальной "складчатости чехла", в надвиговых сооружениях интракратонных подвижных зон фиксируется германотипная "складчатость основания". Именно в случае подобной складчатости под неметаморфизованной или слабо метаморфизованной пластиной аллохтона, ниже поверхности надвигообразования, расположены интенсивно метаморфизованные, иногда даже гранитизированные, нередко смятые в складки породы "основания". В таких случаях наблюдаемый переход между интенсивно деформированными и метаморфизованными подстилающими и слабо деформированными неметаморфизованными перекрывающими породами может происходить в интервале нескольких метров и даже сантиметров. Аналогичную картину можно наблюдать и в разрезе СГ-3, демонстрирующем все детали глубинного строения Печенгской структуры и её фундамента, которые пережили в процессе становления этой структуры несколько этапов тангенциального сжатия, метаморфизма и "складчатости основания". Этим и объясняется столь резкое изменение метаморфизма и "палеотектонического режима" на глубинах 4430.0 и 10150.0 м, наличие изотопных датировок метаморфизма широкого возрастного спектра в породах фундамента, но не в перекрывающих печенгских породах, наличие метасоматитов и жильных протерозойских гранитов лишь на определенных интервалах разреза скважины и т.д. и т.п. Исходя из всего вышеописанного, точность рубежей 4430.0 и 10150.0 м, установленных нашими коллегами различными и независимыми методами, имеет вовсе не такое уж мистическое значение.
5. Выводы
1) Разрез ятулийских горизонтов раннепротерозойского северопеченгского комплекса вскрыт Кольской сверхглубокой скважиной СГ-3, а также группой сателлитных структурных скважин, прежде всего, скважинами IX (глубина 1300 м) и X (глубина 1100 м), которые расположены по восстанию свит и горизонтов пород, прослеженных скважиной СГ-3 на больших глубинах. Наличие этих скважин является исключительно благоприятным фактором, обеспечивающим возможность установления гомологичности глубинных, приповерхностных и поверхностных пород. Степень изученности разрезов лучломпольской и кувернеринйокской свит обеспечивает точную привязку сопоставляемых гомологичных пород, что позволяет обсуждать особенности их изменения по разрезу с точностью до нескольких метров.
2) В качестве минералов-индикаторов различной глубинности было отдано предпочтение калиевым полевым шпатам и кварцу, эталонным минералам структурно-минералогических исследований, которые к тому же достаточно распространены в разрезе. Совместное присутствие этих минералов в составе крупнозернистых аркозовых песчаников лучломпольской свиты, хорошо представленных как в разрезе СГ-3 (интервал 4773.0-4884.0 м), так и на поверхности, а также в разрезе скв. IX (интервал 135.0-410.0 м), позволяет рекомендовать данный горизонт в качестве модельного при сравнительном изучении свойств пород и минералов на разных глубинах. Петрохимические исследования указывают на гомологичность пород данной свиты на разных уровнях.
3) По результатам исследований, минералы изученных разноглубинных пород, занимающих одинаковое положение в разрезе лучломпольской свиты, являются гомологичными. Изучение микроклина, кварца и доломита во всех образцах указывает на идентичность составов и спектроскопических свойств поверхностных и приповерхностных минералов. На уровне дефектной структуры обнаруживаются определенные их отличия от глубинных гомологов в разрезе СГ-3.
4) Выявленные структурные отличия поверхностных и глубинных минералов проявляются для микроклина и доломита в степени дефектности кристаллической структуры: для микроклина она уменьшается с глубиной, а для доломита – растет. Эффект увязан с различной степенью метаморфических преобразований разноглубинных пород.
5) Совместным действием метаморфизма и различных термодинамических параметров геологически длительного пребывания карбонатов на разных глубинах может быть обусловлено распределение примесных ионов марганца по различным структурным позициям доломита. С аналогичным процессом связан сдвиг изоморфизма примесного алюминия в кварце в сторону щелочных разновидностей с ростом глубины залегания пород. К действию непосредственно глубинного фактора отнесены тенденции уменьшения с глубиной естественной доли парамагнитных алюминиевых центров в кварце и концентрации в нем кислородных вакансий.
6) Выявленные тенденции могут быть использованы при интерпретации особенностей структуры разноглубинных минералов сильно метаморфизованных архейских толщ в сравнении с минералами относительно слабоизмененных гомологичных образований на поверхности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты 04-05-65154, 02-05-64747.