Шлихо-минералогический анализ выбросов грязевых вулканов Керченско-Таманского региона

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 552.5:549.08

шлихо-минералогический анализ выбросов грязевых вулканов керченско-таманского региона

А.С. Девятиярова^{^1}, Э.В. Сокол^{^2}, С.А. Новикова^{^3}, С.Н. Кох^{^4}, М.В. Кириллов^{^5}, П.В. Хворов^{^6}, Е.В. Белогуб^{^7}, И.Н. Гусаков^{^8}

Аннотация

В составе шлиховых фракций из выбросов грязевых вулканов Керченско-Таманского региона обнаружено более 40 минералов. Они образуют 3 типоморфные ассоциации: (1) метаморфические силикаты и оксиды с признаками дальнего переноса, (2) аутигенные сульфиды Fe (± Zn, Cu, Hg, Ag) и Ca-Mg-Fe-Mn карбонаты, (3) (окси)гидроксиды Fe и сульфаты.

Ключевые слова: грязевый вулканизм, Керченско-Таманская провинция, майкопская толща.

минералогия вулкан грязевой выброс

A.S. Devyatiyarova, E.V. Sokol, S.A. Novikova, S.N. Kokh, M.V. Kirillov, P.V. Khvorov, E.V. Belogub, I.N. Gusakov

Mineralogical analyses of heavy fractions from the mud masses of the Kerch-Taman mud volcanic province

Abstract. More than 40 minerals have been found in the heavy fractions extracted from the mud masses of the Kerch-Taman mud volcanoes. The minerals are grouped into 3 associations: (1) stable metamorphic silicates and oxides with signs of long-range transport, (2) authigenic sulfides Fe (± Zn, Cu, Hg, Ag) and Ca-Mg-Fe-Mn carbons, (3) (oxy)hydroxides of Fe and sulfates.

Keywords: mud volcanism, Kerch-Taman province, Maikop sedimentary strata.

Об авторах

^{^1} магистрант, Новосибирский Государственный Университет, инженер, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, devjatijarva-anna@rambler.ru

^{^2} доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, sokol@igm.nsc.ru

^{^3} кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, sa_novikova@inbox.ru

^{^4} кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, zateeva@igm.nsc.ru

^{^5} кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, kirillovm@ngs.ru

^{^6} кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт Минералогии УрО РАН, г. Миасс, khvorov@mineralogy.ru

^{^7} доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс, belogub@mineralogy.ru

^{^8} Главный геолог, ООО "Поиск", г. Сочи, geotaman.mail.ru

Введение

Грязевый вулканизм - глобальное геологическое явление, которое завершает многоступенчатый процесс диагенеза осадков и созревания рассеянного органического вещества, обеспечивает рециклирование материала осадочной оболочки Земли и возврат в атмосферу метана, более тяжелых алканов и CO2. Минералогия твердых выбросов грязевых вулканов главным образом изучалась до 1980 года на материале Керченско-Таманской, Каспийской и Сахалинской провинций. Целью этих работ была реконструкция глубин выноса осадков и уровней расположения нефтегазовых коллекторов на основании идентификации устойчиво-повторяющихся комплексов (ассоциаций) минералов шлиховой фракции. В то время это был, по существу, единственный эффективный метод, позволяющий подразделять фаунистически слабо охарактеризованные («немые») толщи осадков, вовлеченные в процесс грязевого вулканизма [1, 2]. В последние 20 лет исследования продуктов грязевулканической деятельности (воды, газов, твердых выбросов) приобрели почти исключительно геохимическую направленность. На этой основе затем реконструировались P-T условиях созревания осадков и уровни мобилизации флюидов и твердого материала [3, 4]. Последняя капитальная сводка по минералогии сопочных выбросов датирована 1949 годом [1].

Цели данного исследования: (1) выделить типоморфные минеральные ассоциации грязевых вулканов Керченско-Таманской провинции; (2) выполнить их генетическое отнесение; (3) реконструировать коренные источники сноса материала в бассейн седиментации, а также уровни выноса вещества грязевыми вулканами региона, пребывающими в умеренной и низкой стадиях активности.

1. Краткий очерк геологии региона

Геологические структуры Керченского и Таманского полуостровов сформировались на стыке горных сооружений Крыма и Кавказа. В этой области выделяются три крупных тектонических структуры: замыкание мегаантиклинориев Горного Крыма и Большого Кавказа, Индоло-Кубанский прогиб и Керченско-Таманский поперечный прогиб [5]. Одноименная грязевулканическая провинция приурочена к зоне накопления мощных плиоцен-четвертичных осадочных толщ Индоло-Кубанского предгорного прогиба. Суммарная мощность осадков, залегающего на доюрском основании, достигает здесь 11 км, из них около трети приходится на глубоководные глинистые отложения олигоцена - раннего миоцена, известные как майкопская серия. Эти толщи отлагались на северной окраине Восточного Паратетиса - опресненного застойного бассейна и имеют региональное распространение на Кавказе, в Предкавказье и на Крымском полуострове [6]. Глубоководная часть этого бассейна совпадала с современным Индоло-Кубанским прогибом, а шельфовые области охватывали акваторию Азова и равнинного Крыма. Областями сноса материала выступали: ороген Большого Кавказа, территории юга Русской платформы, в частности, Скифская плита и Украинской щит, и, в меньшей мере - сооружения горного Крыма. Вклад каждого из этих источников в различных районах и на конкретных временных интервалах значимо менялся [7].

Формирование складчатости на Керченском полуострове началось в среднем миоцене и развивалось сопряженно со структурами Крымского мегаантиклинория. Оно сопровождалось интенсивным диапиризмом и возникновением грязевых вулканов на сводах крупных антиклинальных складок. В настоящее время 19 полей грязевых вулканов полуострова приурочены к местам развития глинистых толщ майкопа, материал которых составляет основу твердых продуктов их выбросов - так называемой сопочной брекчии. На северо-востоке полуострова прослежены 4 субширотные антиклинальные зоны, сложенные неогеновыми осадками (средний миоцен, сармат, мэотис). Крупнейший на полуострове Булганакский грязевулканический очаг (БГО) приурочен к самой северной из этих складок (Чегене-Еникале). Он расположен на эродированном своде Бондаренковской антиклинали, в ядре которой обнажены осадки среднего майкопа. Вулканическое поле объединяет активные и неактивные конусы, грифоны и сальзы. Установленная бурением мощность сопочных брекчий достигает здесь 40 м [5].

Пик грязевулканической деятельности на Керченском полуострове пришелся на плиоцен (кимерий) и в настоящее время она затухает [5]. Большинство здешних вулканов пребывает в стадии грифонно-сальзовой активности, которой отвечают спокойные эманации газа, истечение грязи и минерализованных вод. Пик грязевулканической активности на Тамани пришелся на чокракское и сарматское время. Здешние грязевые вулканы в целом крупнее керченских, их современные извержения характеризуются большими масштабами выбросов, значительной длительностью и высоким газовым фактором, вследствие чего нередко сопровождаются газовыми факелами [5, 8].

2. Материалы и методы

Основной объем работ по обследованию грязевых вулканов Керченско-Таманской провинции (2017 г.) был выполнен на объектах Керченского полуострова. Здесь были опробованы крупные сопки, неактивные в последние 50 - 100 лет (Королевская, Джау-Тепе), грифоны и сальзы (объекты БГО, Еникальский, Солдатско-Слободской), нефтяные грифоны (Тобичекский, Насырский) и объекты сравнения - майкопские и киммерийские осадки (рис. 1). Шлихи были отмыты из 16 валовых проб крупного (120 кг) и 17 среднего (1 - 5 кг) размера.

Более 30 шлиховых проб свежей и выветрелой сопочной брекчии, а также осадков верхнего и среднего майкопа были разделены на легкую и тяжелые (неэлектромагнитную и электромагнитную) фракции. Шлиховые фракции, выделенные из крупнообъемных проб БГО и Королевской сопки, были изучены наиболее детально. Выделенные из них фракции прошли несколько процедур гравитационной и электромагнитной сепарации и подразделены на: (1) тонкую фракцию слоистых силикатов (размерностью ? 1 мкм); (2) сульфидный концентрат; (3) фракцию железистых карбонатов с примесью гидроксидов Fe; (4) концентрат гидроксидов Fe и минералов терригенной фракции; (5) легкую фракцию с преобладанием кварца полевых шпатов, а также немногочисленными фаунистическими остатками (кальцит + арагонит) и кристаллами маложелезистых карбонатов. Шлихо-минералогический анализ был выполнен в варианте полуколичественного с повышенной точностью определения минералов (бинокулярный микроскоп Olympus SZ). Идентификация микроминералов и определение их составов выполнены на электронном сканирующем микроскопе MIRA3-LMU (Tescan Orsay Holding) с системой микроанализа INCA Energy 450+ XMax80, а также на микроанализаторе JXA-8100 (Jeol Ltd). Количественный фазовый анализ проб осадков и шлиховых фракций (50 проб) выполнен методом Ритвельда (дифрактометр Shimadzu XRD-6000, Cu-Kб излучение с графитовым монохроматором; диапазон съемки 4-70° 2И, скорость -1°/мин). Для определения фаз использована база PDFWIN. Диагностика глинистых минералов выполнена с использованием ориентированных препаратов, полученных осаждением из спиртовой суспензии на стекло, съемка в воздушно-сухом, интеркалированном глицерином и прокаленном состоянии при 550°С. Для количественного фазового анализа применен программный пакет SIROQUANT V.4. Для объектов БГО был определен микроэлементный состав индивидуальных фракций методом селективного выщелачивания с последующим определением элементов из растворов методом ICP MS.

3. Результаты и их обсуждение

Было установлено, что грязевые вулканы Керченско-Таманской провинции выносят на поверхность бедные фаунистическими остатками и органическим веществом умеренно песчанистые преимущественно гидрослюдистые глины следующего диапазона составов (в мас. %): гидрослюды и иллит-смектиты ~ 30 - 40, каолинит ~ 10 - 20, хлорит ~ 1 - 7, Fe-карбонаты ~ 1 - 8, кварц ~ 20 - 45, кислый плагиоклаз ~ 2 - 10, кальцит < 1 - 5. Количество тяжелой фракции < 0.2 мас. %. Часть сопочных брекчий Тамани и мелких грязевых вулканов Керченского полуострова (Солдатско-Слободского, Еникальского) содержат больше иллита, каолинита, кальцита. Текущие выбросы грязевых вулканов БГО имеют достаточно выдержанный минеральный состав и богаче обломочными хлоритом и слюдой, а также аутигенными Fe карбонатами. Пириту и глаукониту в них принадлежит второстепенная роль; количество (окси)гидроксидов железа мало. В легкой фракции преобладает кварц, доля кислых плагиоклазов (6 - 15 %), калишпата (2 - 6 %).

Всего в изученных шлихах было диагностировано 40 минералов. Шлихи разнятся по количественному соотношению и набору минералов, которые, тем не менее, могут быть уверенно сгруппированы в 3 типоморфные ассоциации.

Ассоциация I в малых количествах обнаружена в осадках всех обследованных грязевых вулканов и объединяет минералы терригенной фракции с признаками дальнего переноса. В ней преобладают сильно истертые ультраустойчивые метаморфогенные минералы: рутил > ильменит > кианит/силлиманит > Ti-магнетит > гранат.

Рис. 1. Схема расположения опробованных грязевых вулканов (шестиугольники), источников, скважин и рудных тел (ромбы) и количество отобранных образцов в пределах Керченского полуострова

Здесь также обычен окатанный эпидот, кристаллы циркона и турмалина, единичны зерна шпинелидов, монацита, сфена, апатита. Амфибол и пироксен представлены обломками свежих зерен, без признаков истирания. Уникален шлих горы Гнилой (Тамань), резко обогащенный достаточно крупными зернами метаморфических минералов. Коренным источником большинства этих минералов являются высокоглиноземистые метаморфические породы Украинского щита. Источником сноса эпидота, амфиболов и пироксенов, характерных для осадков южной окраины Азовского бассейна, считается Кавказ [9]. В целом соотношения глинистых и набор терригенных минералов грязевулканических выбросов типичен для осадков среднего майкопа Северного Причерноморья и Крыма. Высокая доля каолинита и малая хлорита в свежих сопочных брекчиях указывают на доминирующее поступление материала в бассейн седиментации со стороны Русской платформы с развитыми каолиновыми корами выветривания. Высокая степень иллитизации смектитов отражает интенсивность постседиментаицонных преобразований и указывает на значительные глубины мобилизации осадков грязевыми вулканами [5, 6].

Вторая типоморфная ассоциация достаточно обильна и представлена пиритом (± марказит) и сложными Ca-Mg-Fe(Mn)-содержащими карбонатами. Пирит замещает фаунистические остатки, образует фрамбоиды, ограненные кристаллы и переходные разновидности (рис. 2). В выбросах грязевых вулканов БГО преобладают кристаллы Fe(Mn)-содержащих карбонатов, на Тамани (вулкан Гладковский, г. Гнилая, Цимбалы) и в осадках среднего майкопа (мыс Каменный) доминирует пирит. Ассоциация аутигенных минералов была подробно изучена на объектах БГО. Диагностировано 7 видов карбонатов, включая метастабильные Fe-Mg-Ca-(Mn) разности; сульфиды (пирит, марказит, сфалерит, киноварь, халькопирит, Cu5FeS6 и Ag2S); гипс, барит и сульфат Mg; самородные Cu и Au-Ag-Cu сплавы; кварц, глауконит, апатит. Анализ онтогенеза минеральных агрегатов позволил реконструировать порядок их образования: (окси)гидроксиды Fe, глауконит > Mn-Ca- и Fe-Mn-карбонаты > Ca-Mg-Fe-карбонаты (± сфалерит, киноварь, сульфиды Cu и Ag), фрамбоидальный пирит > ограненный пирит. Среди аутигенных карбонатов доминируют твердые растворы с преобладанием сидерита (~ 90 %). Они обогащены Mn (1.53 - 1.73 мас. %), содержат Sr (248 - 278 ppm) и Ba (90 - 330 ppm), а также Zn (234 - 285 ppm). PAAS-нормализованные спектры распределения РЗЭ монофракций сидерита и анкерита демонстрируют обеднение легкими РЗЭ относительно тяжелых. Это единственная особенность морских карбонатов, сохранившаяся в аутигенных карбонатах из выбросов БГО. Прочие индикаторные геохимические характеристики (отрицательная Ce и положительная Y/Ho аномалии) отсутствуют, что указывает на анаэробную среду формирования осадка [10]. Фрамбоидальный пирит, как минимум, вдвое обогащен Mo >> As > (Pb ? Cu) > Hg > (Co ? Ni) в сравнении с поздними его кристаллами. Собственные сульфиды образуют Zn, Hg, Cu (частично) и Ag. Ассоциация II (аутигенных минералов) типична для осадков застойных бассейнов, отвечающих начальной стадии процесса сульфатредукции. При малой интенсивности этого процесса в ней преобладают Fe(Mn)-карбонаты, при высокой - сульфиды Fe.

Третья ассоциация включает гетит и иные (окси)гидроксиды Fe в виде частиц неправильной формы, корочек, псевдоморфоз по пириту и оолитов, а также гипс и, редко, барит (± целестин). Ассоциация характерна для осадков верхнего майкопа (мыс Тархан), рудоносных вдавленных синклиналей (чокрак-караганского возраста и моложе), осложняющих более древние структуры, а железистые оолиты - для еще более молодых рудоносных киммерийских осадков [5, 11]. На Керченском полуострове минералы этой ассоциации обычны в свежих выбросах мелких и слабоактивных грязевых вулканов Еникальского, Владиславовского, Солдатско-Слободского, а также в выветрелой брекчии Королевской сопки. Эта ассоциация характерна для вулканов, приуроченных к молодым (пост-майкопским) вдавленными синклиналями. Седиментационные бассейны этих эпох были мелководными, а среда - окислительной.

Морфология аутигенных минералов из выбросов грязевых вулканов БГО среднемайкопских глубоководных глинистых осадков (BSE-фото). а - сростки ромбоэдрических микрокристаллов сидерита и комковатых агрегатов кварца (сопка Тищенко); б - сросток ромбоэдрических кристаллов Mg-сидерита и чешуйчатых индивидов глауконита (сопка Андрусова); в - крупные ромбоэдрические кристаллы анкерита (сопка Трубецкого); г - исходные и частично перекристаллизованные фрамбоиды пирита, заключенные в «матрикс» (сопка Тищенко); д,е -исходные фрамбоиды, сосуществующие с крупными кубооктаэдрическими кристаллами пирита, возникшими за счет перекристаллизации этих фрамбоидов (сопка Трубецкого); ж - кубооктаэдрический кристалл пирита, на гранях которого видны следы травления (сопка Тищенко); з - кубический и кубооктаэдрический кристаллы пирита (сопка Трубецкого); и - самородное золото (с высокими концентрациями примесей серебра), образующее частицу неправильной формы, на поверхности которой находятся более поздние наросты золота с более высокой пробностью (сопка Тищенко); к - сросток тетраэдрических кристаллов халькопирита и почкообразных агрегатов сульфида меди и железа (сопка Тищенко); л -агрегат ограненных индивидов и зерен неправильной формы киновари (сопка Королевская); м - тетраэдрический индивид сфалерита с острыми ребрами и вершинами (сопка Андрусова). Условные обозначения: Ank - анкерит, Au - самородное золото, (Au, Ag) -самородное золото с примесями серебра, Ccp - халькопирит, Cin - киноварь, Glt - глауконит, M -матрикс, Mg-Sd -магнезиальный сидерит, Py - пирит, Sd - сидерит, Sp - сфалерит, Qz - кварц

На всех обследованных объектах Керченского полуострова обнаружен глауконит и мельчайшие фрагменты глауконитовых песчаников, характерные для низов среднего майкопа, что указывает на вынос осадков с глубин, как минимум, 2 км. На Тамани глауконит пока обнаружен только в выбросах вулкана Гладковского.

Обильная киноварь в виде плоских ромбоэдров (0.n мм) с острыми ребрами была обнаружена в шлихах из выветрелой брекчии Королевской сопки (рис. 2). Содержание Hg в тяжелой фракции этих шлихов достигает 82 мкг/г (при общем диапазоне ее концентраций на прочих объектах Керченского полуострова - 0.1 - 4.8 мкг/г). Киноварь сопровождают сложные сростки пирита и округлые стяжения барита и/или целестина. Киноварь не испытывала транспортировки и возникла, вероятнее всего, in situ как продукт низкотемпературного гидротермального процесса, проявившего себя в зоне высокой трещиноватости, каковой по сути является зона поражения грязевого вулкана [5].

Заключение

Анализ шлиховой фракции, отмытой из выбросов грязевых вулканов Керченско-Таманского региона, позволил определить коренные источники и направление сноса материала в осадочные бассейны и реконструировать те толщи, которые питают грязевые вулканы региона в текущей фазе активности. В шлихах было диагностировано 40 минералов, которые группируются в 3 ассоциации. Первая объединяет устойчивые к истиранию метаморфические минералы с признаками дальнего переноса. Эта ассоциация терригенных минералов, типичная для майкопских толщ Северного Причерноморья, указывает на поступление материала в бассейн седиментации с юга Русской платформы и Украинского кристаллического щита. Вторая ассоциация, объединяет сульфиды Fe (± Zn, Cu, Hg, Ag) и Ca-Mg-Fe-Mn карбонаты, сформировавшиеся в глинистом осадке застойного морского бассейна в обстановке умеренной сульфатредукции. Оценки температур флюидогенерации для вод Булганакского очага (110 - 115°C) подтверждают этот вывод и указывает на поступление материала с глубин до 2.5 - 3 км. Третья шлиховая ассоциация (с преобладанием (окси)гидроксидов Fe) характерна для малых вулканов, приуроченных к молодым (пост-майкопским) вдавленными синклиналями. Оценки температур флюидогенерации для вод этих объектов (50 - 90°C) подтверждают вынос материала с меньших глубин.

Библиографический список

1. Авдусин П.П. Грязевые вулканы Крымско-Кавказской геологической провинции. Петрографические исследования / П.П. Авдусин. - М.: Издательство АН СССР, 1948. - 191 с.

2. Якубов АА. Грязевой вулканизм Советского Союза и его связь с нефтегазоносностью / А.А. Якубов, Б.В. Григорьянц, А.А. Алиев. - Баку: ЭЛМ, 1980. - 162 с.

3. Kopf A. Significance of mud volcanism / А. Kopf // Reviews of Geophysics. - 2002. - V. 40. - P. 1005-1012.

4. Mazzini A. Mud volcanism: An updated review / A. Mazzini, G. Etiope // Earth-Science Reviews. - 2017. - V. 168. - P. 81-112.

5. Шнюков Е.Ф. Грязевые вулканы Керченско-Таманского региона / Е.Ф. Шнюков, В.М. Шереметьев, Н.А. Маслаков, В.А. Кутний, И.Н. Гусаков. - Краснодар: ГлавМедиа, 2005. - 176 с.

6. Popov S.V. Sea-level fluctuations on the northern shelf of the Eastern Paratethys in the Oligocene-Neogene / S.V. Popov, M.P. Antipov, A.S. Zastrozhnov, E.E. Kurina, T.N. Pinchuk // Stratigraphy and Geological Correlation. - 2010.- V. 18. - P. 200-224.

7. Недумов Р.И. Проблемы литологии, геохимии и палеогеографии кайнозойских отложений Предкавказья / Р.И. Недумов // Литология и полезные ископаемые. - 1993. - №6. - С. 36-54.

8. Лаврушин В.Ю. Подземные флюиды Большого Кавказа и его обрамления / В.Ю. Лаврушин. - Труды Геологического института РАН, Москва: ГЕОС, 2012. - В.599. - 348 с.

9. Шнюков Е. Ф. Геология Азовского моря / Е.Ф. Шнюков, Г. Н. Орловский, В. П. Усенко. - Институт геохимии и физики минералов АН УССР, Киев: Наукова Думка, 1974. - 247 с.

10. Bolhar R. Characterization of early Archaean chemical sediments by trace element signatures / R. Bolhar, B.S. Kamber, S. Moorbath, C.M. Fedo, M.J. Whitehouse // Earth and Planetary Science Letter. - 2004. - V. 222. - P. 43-60.

11. Шнюков Е.Ф. Грязевой вулканизм и рудообразование / Е.Ф. Шнюков, П.И. Науменко, Ю.С. Лебедев, В.П. Усенко, В.А. Гордиевич, И.С. Юханов, А.С. Щирица - Киев: Наукова Думка, 1971. - 332 с.

Размещено на Allbest.ru