Седиментогенез плейстоценового аквального комплекса и условия формирования нерудного сырья суходольных впадин Байкальской рифтовой зоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Седиментогенез плейстоценового аквального комплекса и условия формирования нерудного сырья суходольных впадин Байкальской рифтовой зоны

Коломиец Владимир Леонидович

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Фундаментальные вопросы всестороннего изучения Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), формирования и развития рельефа уже многие десятилетия остаются важными направлениями, имеющими большой теоретический и практический интерес. Особое значение в ряду исследовательских задач ее эволюции приобретает анализ структурно-формационных комплексов межгорных суходольных котловин. Большая часть днищ впадин выполнена мощными позднекайнозойскими трансгрессивными, литологически сходными между собой, полифациальными аквальными толщами нескольких возрастных генераций. Поэтому, наряду с тектоно-динамической, геоморфологической и палеогеографической сферами геологической истории четвертичного периода, не менее актуальной является проблема седиментогенеза и литостратиграфии. Ее решение позволит выявить генезис, возраст, темпы накопления, черты, как сходства в особенностях формирования, так и их отличия, а также достоверно реконструировать различные природные события и их воздействие на экосистему Байкала в прошлом с целью прогноза на будущее.

Цель исследования - выяснить природу накопления аквальных толщ во впадинах БРЗ.

Основные задачи:

1. Изучить условия аккумуляции отложений аквального парагенетического ряда осадочных образований плейстоцена межгорных впадин БРЗ при помощи гранулометрического анализа с последующей обработкой данных графическим, статистическим и палеопотамологическим методами.

2. Провести литолого-стратиграфическое расчленение песчаных массивов.

3. Разработать поисковые критерии и выделить площади, перспективные на строительные материалы, соответствующие ГОСТам.

Защищаемые положения:

1. В днищах впадин Байкальской рифтовой зоны в плейстоцене преобладало флювиальное и лимническое накопление отложений. Осадочные комплексы высоких террас (VII-IV) формировались преимущественно в аллювиально-озерной среде, а низких (III-I) - накапливались в речных условиях. аквальный парагенетический осадочный впадина

2. Четыре эпизода поднятия уровня Байкала сопровождались ингрессиями вод в речные долины его бассейна и образованием стационарных неглубоких озерных проточных водоемов в суходольных впадинах. С понижением уровня Байкала происходила деградация этих водоемов.

3. В качестве строительного нерудного сырья наиболее пригодны речные и озерно-речные отложения как главные и первоочередные объекты по разведанным, опоискованным и прогнозным запасам. Второстепенным строительным материалом являются отложения пролювиального, ледникового и эолового генезиса.

Научная новизна. Впервые для БРЗ выполнены литолого-палеопотамологические реконструкции, установившие закономерности осадконакопления в условиях различных гидродинамических режимов седиментации в водной среде, что позволило перейти от описательно-субъективного уровня изучения отложений аквального ряда в плоскость количественных оценок. Осуществлена интерпретация численных характеристик осадков с выделением генетических типов, фациальных групп и отдельных микрофаций песчаных толщ, обозначены динамические условия накопления отложений, в том числе с введением тектонических показателей. С помощью применяемой методики получен инструмент стратиграфического расчленения литологически близких по составу мощных песчаных толщ рифтовых впадин. Совокупность статистических и палеопотамологических параметров использована для восстановления региональных палеогеографических и палеоклиматических событий плейстоценовой истории Байкальской рифтовой зоны.

Практическая значимость работы. Сделаны оценки пригодности осадочных отложений различных генетических типов и фаций в качестве нерудного сырья - песков для изготовления силикатных изделий автоклавного твердения, строительных растворов, заполнителей технических бетонов, материалов для стекольной промышленности. Для каждого вида полезных ископаемых установлен поисковый ряд критериев, строго зависящий от литологии, генезиса, фациальных и микрофациальных особенностей песчаных толщ, выделены наиболее перспективные площади, диагностированы показатели пригодности по структурно-морфологическим элементам межгорных котловин. Методические разработки могут использоваться при проведении геологической съемки (ГС-50) и геологического доизучения площадей (ГДП-50 и ГДП-200), а также на стадиях поисковых и разведочных работ на различные виды нерудного сырья. Материалы исследований приведены автором в производственных отчетах Центральной геолого-геофизической экспедиции (1989, 1990) ПГО «Бурятгеология».

Фактический материал. Основой для выполнения диссертации послужил материал, собранный при проведении полевых работ в межгорных впадинах БРЗ: Баргузинской, Усть-Баргузинской, Налимовской, Нижнетуркинской, Котокельской, Тункинской и усть-селенгинской части Байкальской впадины. Автор принимал участие в этих исследованиях в составе Аэрокосмогеологической партии Центральной геолого-геофизической экспедиции ПГО «Бурятгеология» (1987-1989 гг.) и лаборатории геологии кайнозоя Геологического института СО РАН (1989-2009 гг.). Было изучено не менее 70-ти разрезов плейстоценовых отложений с гранулометрическими рассевами более 2500 проб с частичными минералогическими, химическими, палинологическими анализами и радиотермолюминесцентным (РТЛ) датированием. Для сопоставления использовались архивные данные по механическому составу рыхлых отложений Верхнеангарской, Муйско-Куандинской и Парамской впадин, полученные при проведении специализированных поисковых работ, а также аэрофотогеологического картирования масштаба 1:50000 геологами Аэрокосмогеологической партии и любезно предоставленные автору.

Работа выполнялась по госбюджетным темам НИР «Мониторинг и палеореконструкция глобальных изменений природной среды, климата и седиментогенеза в кайнозое оз. Байкал и Байкальского региона» (1998-2002 гг.), «Природно-климатические изменения, морфотектоника и сейсмичность Байкальского региона в кайнозое» (2004-2006 гг.), «Комплексные исследования развития геосистем Байкальского региона и смежных территорий в позднем кайнозое» (2007-2009 гг.); грантам РФФИ (№№ 97-05-96356, 99-05-65017, 04-06-80403, 05-05-97281), РГНФ (№№ 99-01-00417, 01-01-00295а), ФЦП «Интеграция» (№№ К0364/98, К0364/00), интеграционным проектам СО РАН и РАН (№№ 74, 90, 185, 23.1), в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работ докладывались и обсуждались на 8-ми международных симпозиумах и конференциях: «Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез». (Улан-Удэ, 1999), «Селенга - река без границ» (Улан-Удэ, 2002), «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ - Улан-Батор, 2004), «Stratigraphy, paleontology and paleoenvironment of Pliocene-Pleistocene of Transbaikalia and interregional correlations» (Улан-Удэ, 2006), «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» (Сыктывкар, 2007), конференции, посвященной Международному году планеты Земля и 85-летию образования Республики Бурятия (Улан-Удэ, 2008), «Развитие природной среды Востока Азии в плейстоцене - голоцене» (Владивосток, 2009); «Дельты Евразии: происхождение, эволюция, экология и хозяйственное освоение» (Улан-Удэ - Истомино, 2010); на 10-ти Всероссийских совещаниях и конференциях: по Интеграционному проекту СО РАН «Изменения климата и природной среды Сибири в голоцене и плейстоцене в контексте глобальных изменений» (Красноярск, 1999), «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы» (Улан-Удэ, 2000), «Экология древних и современных обществ» (Тюмень, 2003), «Земная поверхность, ярусный рельеф и скорость рельефообразования» (с. Аршан, 2007), «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи» (Улан-Удэ, 2007), «Проблемы геологии, минеральных ресурсов и геоэкологии Западного Забайкалья» (Улан-Удэ, 2007), по Программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (Иркутск, 2009), «Фундаментальные проблемы квартера: итоги изучения и основные направления дальнейших исследований» (Новосибирск, 2009); симпозиуме памяти академика Н.А. Логачева «Кайнозойский континентальный рифтогенез» (Иркутск, 2010); «Теория геоморфологии и ее приложение в региональных и глобальных исследованиях» (Иркутск, 2010); 11-ти региональных конференциях: «Проблемы географии Байкальского региона» (Улан-Удэ, 1996); «Природные системы гор юга Сибири» (Улан-Удэ, 1998), «Состояние и перспективы развития минерально-сырьевого и горнодобывающего комплексов Республики Бурятия» (Улан-Удэ 1999), «Молодая археология и этнография Сибири» (Чита, 1999), «Современное состояние и перспективы освоения Байкало-Амурской магистрали» (Улан-Удэ, 1999), научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ, посвященной 70-летию высшего образования Республики Бурятия (Улан-Удэ, 2001), «Будущее Бурятии глазами молодежи» (Улан-Удэ, 2002, 2003), конференции, посвященной 50-летию геологической службы Бурятии (Улан-Удэ, 2003), «Научный и инновационный потенциал Байкальского региона глазами молодежи» (Улан-Удэ, 2005, 2006).

По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 121 работа, из них 1 монография и 12 статей в рецензируемых журналах (6 - из списка ВАК).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 278 страниц текста, включает 29 таблиц, 216 рисунков, библиографический список из 403 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю д.г.-м.н., профессору С.В. Рассказову, коллегам по работе - д.б.н. М.А. Ербаевой, к.г.-м.н. Р.Ц. Будаеву, к.б.н. Хензыхеновой Ф.И., сотрудникам В.П. Резановой, М.И. Дергаусовой, В.В. Савиновой, Г.А. Кисловой, Г.Г. Шушпановой за помощь в проведении полевых изысканий, сборе фактического материала и обсуждении полученных результатов. Особую признательность автор испытывал к бывшему заведующему лабораторией И.Н. Резанову, многие годы служившему ему образцом для подражания, с которым он дискутировал по многим аспектам данной проблематики. Автор благодарит д.и.н. Л.В. Лбову за сотрудничество, интеграцию и постоянную финансовую помощь, геологов ФГУП «Геоцентр» Л.В. Шатковскую, К.М. Шелгачева и А.С. Ивлева за совместные работы в Тункинской, Налимовской, Нижнетуркинской, Котокельской впадинах и усть-селенгинской части Байкальской впадины, а также всех друзей и коллег, способствовавших завершению этих исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. История исследований

Рассматривая более чем двухвековую историю активного изучения Байкала и прилегающей территории, можно констатировать постоянный и неослабевающий интерес к проблемам четвертичного периода, в первую очередь, литологии, возрасту, стратиграфии и генезису мощных песчаных толщ, развитых преимущественно в межгорных рифтовых впадинах на флангах и восточном побережье озера. Литологическое описание этих толщ не вызывает споров; большинство исследователей однозначно характеризуют их структурно-текстурные особенности. Более-менее ясно их стратиграфическое положение; сближение точек зрения быстрыми темпами произошло за последние десятилетия, когда к традиционным методам определения относительного возраста отложений (палинологические, палеонтологические, диатомовые) присоединились физические методы абсолютного датирования - термолюминесцентные, радиоуглеродные, палеомагнитные. Но основная проблема квартера Прибайкалья была и остается прежней - происхождение песчаных толщ, так как от правильности его определения напрямую зависят палеогеографические реконструкции для данной территории.

Существуют две основные гипотезы - песчаные толщи всех впадин имеют либо аквальный, либо не аквальный генезис, что ведет зачастую к весьма оживленной дискуссии. Предполагается чисто аллювиальное или чисто лимническое происхождение толщ. Отсюда признание или отрицание существования озерных условий седиментогенеза в котловинах на различных временных интервалах антропогена, и, следовательно, различное понимание тех причин, которые обусловили обстановки осадконакопления.

Впервые идею об озерном генезисе песчаных толщ высказал И.Д. Черский. Его же условно можно причислить к сторонникам байкальской трансгрессии, так как повсеместное распространение и большие мощности песков он трактовал высокими уровнями байкальских вод (337 м выше современного). Тех же взглядов придерживались В.А. Обручев (который такое положение вод объяснял проявлениями неотектонических движений) [1899, 1914, 1929, 1941], Г.Е. Рябухин [1935], Н.В. Думитрашко [1940, 1952], Г.Г. Мартинсон [1940]. Формирование толщ лимнопесков В.В. Ламакин [1952, 1957, 1968] связывал с наличием байкальской межледниковой ингрессии в бассейны рек байкальского направления стока. Преимущественно лимно- и флювиогляциальный характер условий аккумуляции последовательно отстаивали Н.А. Флоренсов [1960] и Н.А. Логачев [1958] , относившие данные осадки к внутренним зандровым полям межгорных котловин, возникшим и существовавшим благодаря продолжительным и мощным среднеплейстоценовым оледенениям на хребтах, обрамляющих впадины. Внедрение вод Байкала в межгорные котловины восточного побережья в 70-80 гг. XX столетия признавал С.С. Осадчий [1988, 1995].

И.Н. Резановым [1988] была установлена одна длительная, на протяжении всего среднего неоплейстоцена, тектоническая ингрессия (не менее 100 м), на которую в начале казанцевского времени наложилась вторая кратковременная климатическая ингрессия, вызванная потеплением и таянием ледников. По мнению А.Б. Иметхенова [1987], незначительное проникновение байкальских вод в Усть-Селенгинскую впадину за счет таяния льдов на горном обрамлении способствовало формированию осадков казанцевской IV надпойменной террасы.

Дифференцированные тектонические движения, вызвавшие поднятие западной рамы Байкальской впадины, изменение стока байкальских вод и рост его уровня ввиду тектонического подпора обусловили протекание крупной ингрессии в эоплейстоцене. Очередной подъем не менее чем на 120 м выше современного положения вод оз. Байкал в нижнем-среднем неоплейстоцене привел к образованию террас соответствующих высот. На такую возможность указывали Н.А. Логачев [1974], В.Д. Мац [1987, 2001], Е.Е. Кононов [2005].

Не ингрессионное и лимническое, а тектонически-подпорное накопление алевритово-псаммитовых осадков в мелководных условиях, близко напоминавших озерные, отстаивали в своих работах А.Б. Иметхенов [1987] и Д.-Д.Б. Базаров [1968, 1986]. Последний указывал также на полигенетичное образование кривоярской свиты Западного Забайкалья и ее аналогов в Восточном Прибайкалье, считавшихся ранее Э.И. Равским [1964, 1972] лимническими.

Дифференцированно-колебательные блоковые тектонические движения в совокупности с мощными оледенениями обусловили специфические подпорно-озерные приледниковые обстановки седиментации с отдельными водоемами значительной глубины в Северном Прибайкалье в среднем неоплейстоцене [Геоморфология…, 1981; Будаев, 1989]. Для противоположной части БРЗ - Тункинской системы впадин А.А. Щетниковым [2001, 2004] и И.А. Филиновым [2007] генезис поздненеоплейстоценовых песчаных толщ определен как флювиальный с преобладанием руслового аллювия и подчиненной ролью старичных и пойменных фаций.

Некоторые авторы полностью отрицали водный генезис описываемых осадков. К примеру, В.Н. Олюнин [1978] предполагал их ветровое и склоновое происхождение. Эоловый характер аккумуляции поддерживали также В.К. Шевченко [1976] и С.К. Кривоногов [2010]. Весьма оригинальной, но слабо аргументированной, является гипотеза происхождения песчаных массивов за счет явлений грязевого вулканизма [Исаев, 2007].

Глава 2. Использование гранулометрического состава отложений для литолого-фациальных и палеогеографических реконструкций

При литолого-стратиграфических и палеогеографических реконструкциях широко используется гранулометрический анализ. Потенциал его уже давно оценен в многочисленных работах по литологии, седиментологии, стратиграфии, учении о фациях, региональных исследованиях в России и за рубежом [Рухин, 1947, 1969; Животовская, 1964; Рожков, 1976, 1978; Борсук, 1968; Шванов, 1969; Рожков и др., 1973; Петтиджон и др. 1976; Романовский, 1977; Боровко, Боровко, 1978; Котельников, 1989]. Основными видами обработки данных гранулометрии являются графический, статистический, генетических диаграмм Р. Пассеги, Рухина, Рожкова и др. и палеопотамологический методы. Самый наглядный, графический метод связан с построением эмпирических полигонов распределения и кумулятивных кривых по способу квартилей Траска с определением медианного диаметра (Md), коэффициентов сортировки (S0) и асимметрии (Sk). При статистическом анализе вычисляются такие показатели распределения частиц в структуре осадка - мода (Mo), нормированная энтропия (Hr), средневзвешенный размер частиц (x), стандартное отклонение (), коэффициент асимметрии (), эксцесс () и коэффициент вариации (). Особенно информативным, на наш взгляд, выступает коэффициент вариации, который отражает турбулентность течений в среде седиментации вне зависимости от фракционного состава привнесенного материала, что важно при использовании неодинаковых ситовых наборов, и указывает на диапазон разброса средних величин динамики формирования наносов той или иной фации. Для озерных отложений значения находятся в пределах 0,2-0,8, для речных - 0,4-2,0. Чем выше , тем в более подвижных условиях происходило осадконакопление.

Для отложений, флювиальный генезис которых достоверно подтверждается присущими для данного типа особенностями, можно реконструировать параметры речного потока, транспортировавшего и отлагавшего рыхлый материал, используя установленные связи и закономерности между различными гидродинамическими показателями, принятыми в гидрологии (палеопотамологический метод). Имея механический состав отложений (рассев), можно получить следующие характеристики палеопотоков: 1) сдвигающие скорости (vср) и скорости отложений (vотл) осадков; 2) глубины водного бассейна и потоков в межень (H', H); 3) скорости потока (v); 4) предельный размер транспортируемых отложений (dпред); 5) универсальный критерий Ляпина (), указывающий на наличие текстурных признаков и грядовых русловых форм рельефа; 6) высоту, длину и скорость размыва донных потоковых гряд (hг, lг, cг), по первой из которых имеется возможность установить порядок палеопотока; 7) уклон водного зеркала (I); 8) коэффициент шероховатости палеорусла (n), через числовые значения которого можно сделать подробное заключение о гидрологических особенностях, режиме течения, рельефе дна и типе поймы; 9) ширина потока (B); 10) -критерий устойчивости русла, описывающий речную систему по скорости развития русловых преобразований и оценивающий степень русловых изменений; 11) число Лохтина (), определяющее крупность рек и близость конечного водоема; 12) число Фруда (Fr), по которому распознаются характер течения, типы и подтипы речных русел, восстанавливается площадь водосбора.

Глава 3. Аквальный седиментогенез

Плейстоценовый структурный ярус БРЗ представлен отложениями днищ впадин: Муйско-Куандинской, Парамской, Верхнеангарской, Баргузинской, Усть-Баргузинской, Налимовской, Нижнетуркинской, Котокельской, Тункинской группы и в усть-селенгинской части впадины оз. Байкал. Изучались песчаные толщи плейстоцена, имеющие однообразные внешние признаки (сходную цветовую гамму, литологический состав и текстуру) и слагающие не менее 7-ми эрозионно-аккумулятивных и аккумулятивных террасовых уровней (рис. 1). В Муйско-Куандинской впадине определено 8 уровней. По своему происхождению уровни относятся к флювиальной и лимнической группам аквального парагенетического ряда континентальных осадочных образований [Коломиец, 1998, 2001, 2007, 2009; Kolomiets, 2008]. При общем анализе всего плейстоценового террасового комплекса выявляется следующая последовательность формирования уровней с выделением специфики осадконакопления.

VIII террасовый уровень относится к позднему плиоцену - эоплейстоцену (высота 160-200 м) и развит в Муйско-Куандинской впадине [Геоморфология …, 1981]. Представлен мелкоструктурными горизонтально-слоистыми песками береговых и прибрежных фаций озерной макрофации, которые накапливались в неглубокой акватории стационарных проточных лимнических водоемов с малым волнением и придонным субламинарно-суспензионным течением. Мелко-среднезернистые литологические разности с наклонной и волнистой текстурой формировались меандрирующими водотоками речного облика с замедленным слаботурбулентным однонаправленным поступлением воды в русловых и пойменных фациях речной группы фаций.

Рис. 1. Террасовый комплекс межгорных впадин БРЗ

VII террасовый уровень рубежа эоплейстоцена - неоплейстоцена (высота 110-160 м) изучен в опущенных блоках днищ и по периферии Верхнеангарской, Муйско-Куандинской, Парамской, Баргузинской, Налимовской, Котокельской и Тункинской котловин. Осадки - субгоризонтально-слоистые тонко-мелкозернистые пески, алевропески и алевриты, аккумулировавшиеся в проточных лимнических водоемах с небольшими глубинами (до 3-5 м). Для палеопотоков перечисленных впадин реконструированы сходные динамические параметры. Они имели равнинный (Fr < 0,1), реже полугорный (Fr = 0,1-0,2) типы натуральных открытых русел с площадью водосбора >100 км² в комфортных условиях пребывания ложа и беспрепятственного движения воды (n > 40). Начальным моментом движения наносов в руслах палеорек являлся порог минимальных значений срывающих скоростей водного потока 0,3-0,4 м/с. Аккумуляция начиналась с падением придонной скорости до 0,2 м/с. Палеорекам были свойственны узкие рамки изменений скоростного режима течения воды от 0,4 до 0,5 м/с, а также уклонов продольного профиля - от 0,2 до 0,7 м/км (табл. 1). В подавляющем большинстве случаев динамика потоков характеризовалась переходным режимом осаждения между турбулентным и ламинарным типами, что соответствует способу переноса в виде сальтации с подчиненной ролью суспензий. Малые значения -критерия устойчивости русел (<100 единиц) конкретизируют исследуемые флювиальные системы как немобильные, которые вряд ли могли осуществлять масштабную разрушительную работу по изменению гидрографической сети и рельефа в целом. В фациальном отношении изучаемый гранулометрический спектр принадлежит полю совмещения лимнических и аллювиальных условий седиментации с преимущественным распространением прибрежно-береговых фаций озерной группы и меньшим - русловых и пойменных речной группы.

Палеопотамологические реконструкции на временной срез VII уровня хорошо согласуются с выводом о том, что к концу плиоцена отрицательные морфоструктуры БРЗ были выражены почти в современном виде [Геоморфология…, 1981]. Это подтверждается установленным умеренным протеканием осадконакопления на протяжении эоплейстоцена и раннего неоплейстоцена. Степень эрозионного расчленения рельефа горного обрамления впадины не оказывала влияния на обстановки седиментации, в которых преобладали потоки с гидродинамическими параметрами равнинного типа. Озера Верхнеангарской и Тункинской впадин имели прямую связь с Байкалом, свидетельством чему является присутствие в осадках скелетных игл (спикул) байкальских губок Lubomirskia baikalensis Pall., L. fusifera Dyb., L. abietina Swarcz., Baikalospongia intermedia Soukatsch. семейства Lubomirskiidae, характерных только для вод Байкала и открытых частей его заливов [Мартинсон, 1940, 1941].

VI, V и IV террасовые уровни. Ранне-средненеоплейстоценовые отложения, слагающие уровни 80-100 м (VI), 50-80 м (V) и 25-50 м (IV), развиты повсеместно во всех межгорных рифтовых впадинах. Они сложены слоистыми крупно-средне-мелкозернистыми песками с субгоризонтальной, наклонной и косой слоистостью. Подчиненную роль играют пограничные разности обломочного спектра.

Таблица 1. Осредненные палеопотамологические характеристики осадконакопления террасового комплекса суходольных впадин БРЗ