Петрохимическая типизация метапсефо-псаммитовых ассоциаций украинского щита и ее значение для литогенетических реконструкций и межрегиональных стратиграфических корреляций

Формулирование проблемы

Сама идея типизации метапсефитов на петрохимической основе может показаться маловероятной и непродуктивной по причине неоднородности состава обломков и соотношений между галечным материалом и заполнителем. Обобщающие работы на эту тему нам пока не известны, хотя отдельные попытки предпринимались (Кренделев,1974).

В.З. Негруца (Негруца, 1990) разделил все многообразие метаконгломератов Балтийского щита по степени мафичности-саличности на четыре формации: мафито- вую, переходную (мафит-салическую), салическую и кварцевую. В то же время широко известны петрохими- ческие классификации и диаграммы для псаммитовых пород А.Н. Неелова (1980), Ф. Петтиджона (Pettijohn, 1963, 1972), А.А. Предовского (1970, 1980), М. Хиррона (Herron, 1988), Х. Несбита и Дж. Янга (Nesbitt, Young, 1982), Я.Э. Юдовича (2000), Б. Роузера и Р. Корша (Roser, Korsch, 1986), Дж. Мейнарда (Maynard et al., 1982), М. Бхатиа (Bhatia, 1983). Поскольку в грубообломочных породах между составом заполнителя и обломков существует теснейшаясвязь,полностью правомочно использование всех этих классификаций и диаграмм и при изучении собственно метаконгломератов, при этом химический состав заполнителя в большинстве случаев вполне адекватно отражает валовый химический состав пород. Общая проблема, затрагиваемая в данной статье, связана с развитием петрохими- ческого направления в изучении грубообломочных терригенных пород; часть этой общей проблемы - использование петрохимических данных для генетических и иных реконструкций по отношению к метаморфизован- ным псефо-псаммитам докембрия.

Информация о химическом составе метапсефитов- метапсаммитов Украинского щита (УЩ) разрознена в многочисленных публикациях (табл. 1), и сколько-нибудь значимых обобщений на сегодняшний день не имеется. Между тем типизация грубообломочных пород докембрия на петрохимической основе может иметь существенное значение для межрегиональных стратиграфических корреляций в раннем докембрии УЩ, а также для выяснения исходного генезиса спорных высокоме- таморфизованных (в амфиболитовой и гранулитовой фациях) конгломератовидных объектов, часто рассматриваемых в качестве тектоно-метаморфических образований. Возраст и стратиграфическая позиция таких спорных объектов до сих пор относятся к числу особо проблемных вопросов геологии УЩ.

Цель исследований

В статье сделана попытка обобщения и анализа петрохимических данных по грубообломочным метатерригенным сериям всего УЩ с целью установить (подтвердить или опровергнуть) исходно осадочную грубообломочную природу некоторых спорных конгломератовидных высокометаморфизованных объектов, а также обозначить их вероятную коррелятивную стратиграфическую позицию.

Методы и методология

Для петрохимической типизации и сопоставлений использованы методы многомерной статистики (кластерный и факторный анализы), а также разного рода двух-трех компонентные диаграммы. Весьма полезным и продуктивным при изучении химизма псефо-псаммитовых пород является сериальный подход, когда анализируется вся совокупность взаимосвязанных гранулометрических парагенезисов грубокластических терригенных серий - конгломерат ^ гравелит ^ песчаник ^ алевролит. Пелитовыми породами, как малозначимыми членами грубокластических серий, в данном случае можно пренебречь. Основным приемом, задействованным в работе, является петрохимическое сопоставление вы- сокометаморфизованных конгломератовидных объектов спорного генезиса и возраста с хорошо изученными слабометаморфизованными типоморфными эталонами грубокластических серий мезоархей-палеопротерозоя Криворожской структурно-формационной зоны (КСФЗ).

Анализ предыдущих исследований. Ранее авторами (Коржнев, Покалюк, 2013; Покалюк, Сукач, 2015; Покалюк, 2017) на основании статистической обработки большого массива петрохимических данных (около 1000 полных силикатных анализов) по метаосадочным породам КСФЗ была осуществлена типизация метаосадоч- ных петрохимических серий КСФЗ (рис. 1). Было установлено, что все метаседиментогенные образования КСФЗ (от мезоархея до верхов палеопротерозоя) принадлежат к двум петрохимическим сериальным типам: 1 - высокодифференцированному, протогумид- ному, кварцево (псефо-псаммит) ^ высокоглиноземно (пелит) ^ железисто-кремнистому (пелит-коллоид- ному); 2 - низкодифференцированному, промежуточному между гумидными и аридными сериями, граувакковому (псефо-псаммит-алевритовому). В ар- хей-палеопротерозойском геологическом разрезе КСФЗ происходит последовательная смена снизу вверх ме- таосадочных формаций первого сериального типа формациями второго типа. Это свидетельствует об эволюции климатических условий данного региона от протогумидных в архее и начале палеопротерозоя к субаридным в конце палеопротерозоя. Эта же схема подтверждается реконструкциями исходных минеральных парагенезисов пород по методу О.М. Розена "MINLITH" (Покалюк, Сукач, 2014). На основании петрохимических реконструкций был сделан важнейший вывод об эволюции условий гипергенеза для региона КСФЗ - интенсивность процессов химического выветривания (степень гидролиза) эволюционно снижалась от высокой степени в мезоархее до умеренно-высокой в начале палеопротерозоя и слабой в конце палеопротерозоя. Вполне очевидно, что указанная общая последовательность изменений степени гидролиза на водосборах в докембрии КСФЗ может быть принята и для всего УЩ. Эта последовательность имеет первостепенное значение для выяснения "степени зрелости" крупных литостратиграфических последовательностей, и, в частности - эволюции состава груботерригенных псефо-псаммитовых ассоциаций других регионов УЩ.

Рис. 1. Генерализованная схема дифференциации метаосадочных пород Криворожской СФЗ в координатах Al2O3/SiO2 - Fe2O3+FeO+MgO+CaO (Покалюк, 2017):

I, II - два главных типа петрохимических серий КСФЗ: I - высокодифференцированный сериальный тип, свойственный гумидному литогенезу, разделяющийся на две связанные ветви - кремнезем-высокоглиноземистую псефо-псаммо-пелитовую континентальную и карбонат-магнезиально-глиноземно-железистую пелитовую бассейновую (к этому типу относятся отложения латовской, скелеватской, саксаганской и гданцевской свит КСФЗ);

II - низкодифференцированный граувакковый сериальный тип, промежуточный по своим петрохимическим параметрам между гумидными и аридными сериями фанерозоя, а также близкий к микститовым сериям зон активного тектоногенеза (к этому типу относятся отложения глееватской свиты). Тренды дифференциации: 1 - латовская толща (свита), высокозрелые

метапсефо-псаммиты; 2 - новокриворожская свита, вулканомиктовые метапесчаники, песчанистые сланцы;

3-а, 3-б - скелеватская свита: 3-а - главный тренд - высокозрелые метапсефо-псаммо-пелиты, 3-б - второстепенный тренд -зрелые метаалевро-пелиты, связанные с размывом покровов ультрабазитов; 4-а, 4-б - саксаганская свита: 4-а - высокозре-лые метаалевро-пелиты, 4-б - кластогенно-хемогенные метапелит-колоидные карбонат-магнезиально-глиноземно-железистые осадки; 5-а, 5-б, 5-в - гданцевская свита: 5-а - железисто-кластогенные зрелые метапсефо-псаммо-пелиты, связанные с размывом железистой формации саксаганской свиты, 5-б - высокозрелые высокоглиноземистые метаалевро-пелиты,

5-в - кластогенные карбонат-магнезиально-железисто-глиноземистые метапелиты и кластогенно-хемогенные карбонат-магнезиально-глиноземно-железистые метапелит-коллоиды; 6 - глееватская свита - незрелые полимиктовые метапсефо-псаммо-алевриты; 7-а, 7-б - гумидные псаммо-алевро-пелиты мела Восточного Казахстана; 8 - аридные псаммоалевро-пелиты неогена Ферганы; 9 - олистостромовые (микститовые) псаммо-пелитовые отложения мела Малого Кавказа

В качестве типоморфных слабометаморфизованных эталонов псефо-псаммитовых толщ, принадлежащик к вышеуказанным двум различным петрохимическим сериальным типам, мы будем здесь использовать отложения скелеватской и глееватской свит криворожского палеопротерозойского разреза, как наиболее конгломератоемких, наиболее полно изученных, принадлежащих к разным этапам геотектонического развития и обладающих четкой индивидуальностью своих петрохимических признаков. Стратиграфическая позиция и относительный возраст указанных свит определены вполне надежно - скелеватская свита фиксирует базальное основание разреза палеопротерозоя, в то время как глееватская свита - верхнюю часть разреза палеопротерозоя. Петрохими- чески груботеригенные отложения скелеватской и глее- ватской свит разительно отличаются друг от друга (Кулиш и др., 2007; Покалюк, Сукач, 2015) - их петрохи- мические тренды/шлейфы на диаграммах не совпадают и практически не перекрываются (рис. 1,2). Они характеризуют два крупных исторических этапа развития региона с различным тектоническим режимом и палеогеографическими условиями литогенеза.

Метапсефо-псаммиты скелеватской свиты по своему химизму соответствуют/подобны платформенным континентальным высокозрелым терригенным сериям фане- розоя, сформированным в условиях умеренно гумидного климата с преобладающим каолин-гидрослюдистым профилем выветривания. Они относятся к низконатриевым и высококалиевым породам, что типично для континентальных псаммитов. Кроме того, большинство имеет низкие содержания кальция и пониженную фемичность. Они отвечают петрохимическим типам (по Ф. Петтиджону и М. Хиррону): от кварцевых аренитов до субаркозов, соответствуя монокварцевым и олигомиктовым кластолитам. В отличие от отложений скелеватской свиты метапсефо- псаммиты глееватской свиты характеризуются значительно большей фемичностью, более высокими содержаниями кальция и натрия. Петрохимически они соответствуют субграувакково-граувакковым бассейновым ассоциациям пород, сформированным в пределах областей с относительно активным тектоническим режимом (рециклированный континентальный ороген) и семи- гумидными-семиаридными климатическими условиями.

Учитывая установленные кардинальные различия в химизме метапсефо-псаммитов указанных свит, мы можем использовать их в качестве руководящих или отправных эталонов при сопоставлении с другими метапсефо-псаммитовыми ассоциациями УЩ, в том числе и высокометаморфизованными. Установленная направленность эволюции условий гипергенеза на протяжении мезоархея-палеопротерозоя КСФЗ открывает, в свою очередь, дополнительные возможности для межрегиональных стратиграфических корреляций на петро- химической основе в пределах всего Ущ.

Фактический материал. Собрана и проанализирована выборка из опубликованных и неопубликованных источников 451 полных силикатных анализов метап- сефо-псаммитовых пород УЩ (табл. 1, рис. 2), в том числе проблемных высокометаморфизованных пород спорного генезиса и возраста (конгломератовидных и псаммовидных пород с гнейсовым и кристаллосланцевым матриксом). Главный объем выборки составили анализы валовых проб, а также анализы, характеризующие заполнитель/цемент пород. Анализы по отдельным галькам исключались.

Таблица 1

Распределение выборки использованных полных силикатных анализов метапсефо-псаммитов по отдельным псефитоносным объектам/стратонам УЩ

Результаты петрохимических сопоставлений проиллюстрированы на диаграммах рис. 2. Выбор диаграмм продиктован общим характером факторной изменчивости выборки, а также известными классификационными диаграммами для песчаных пород.

Рис. 2. Сопоставление химического состава высокометаморфизованных конгломератовидных пород УЩ со слабометаморфизованными груботерригенными осадками скелеватской и глееватской свит палеопротерозойского разреза Криворожской структуры:

1 - высокозрелый шлейф груботерригенных (псефиты-псаммиты-алевриты) метаосадков скелеватской свиты;

5 - метаконгломерат (биотитовый плагиогнейс с галькой кварца) Сорокинской зеленокаменной структуры, р. Берда, устье б. Собачья, крутобалковская свита; 6 - метапсефо-псаммиты Звенигородско-Шполянского участка; конгломератовидные породы (пироксен-плагиоклазовые гнейсы и кристаллосланцы) окрестностей г. Первомайска (Побужье);

8 - ингульские гнейсы метапсаммо-алевритовые; 9 - конгломератовидные породы (плагиогнейсы и кристаллосланцы) участка слияния рек Великая Высь, Горный Тикич, Гнилой Тикич; 10 - конгломератовидные породы (плагиогнейсы и кристаллосланцы) тетеревской серии Радомышльского участка

В частности, диаграмма БІСЬ-АЬОз показывает общий "размах" дифференциации по наиболее изменчивым компонентам для псаммитовых пород - кремнезему и глинозему. Она хорошо отражает гранулометрическую дискретность осадков: со снижением SO2 и увеличением АІ2О3 происходит уменьшение размерности псаммитов и увеличение доли глинистой компоненты.

Диаграмма в координатах AhO3/SiO2 - Fe2O3+FeO+MgO+CaO является упрощенным вариантом (в вес. %) диаграммы А.Н. Неелова (1980) и характеризует дифференциацию по двум определяющим для терриген- ных пород факторам: алюмо-кремниевому модулю и общей фемичности. Алюмо-кремниевый модуль показывает соотношение между кластикой кварца и глинистой компонентой и четко коррелирует с гранулометрическим составом пород; общая фемичность связана со степенью "зрелости" осадков - количеством неразложенных или слабо разложенных плагиоклазов и темноцветов.

Диаграмма AI2O3 - MgO+CaO+Na2O в какой-то мере представляет модификацию диаграммы А.Н. Неелова, где вместо алюмо-кремниевого модуля используется только глинозем, а из фактора общей фемичности убрано железо, но добавлен Na2O; в таком варианте диаграмма лучше отражает количество неразложенной плагиоклазовой кластики ("аркозо-вакковость") и карбо- натистость осадков.

Трехкомпонентная диаграмма SiO2 - AI2O3+ K2O+TiO2 - Fe2O3+FeO+MgO+CaO отражает соотношение главных факторов дифференциации выборки (факторный анализ, метод главных компонент).

Т рехкомпонентная диаграмма K2O - MgO+CaO+Na2O - Fe2O3+FeO характеризует степень "зрелости" бесквар- цевого остатка псефо-псаммитовых пород. Благодаря исключению кремнезема и глинозема диаграмма позволяет сопоставлять "зрелость" бескварцевого остатка для кластолитов разного гранулометрического состава и с разным содержанием глинистой компоненты. Степень "зрелости" пород увеличивается по направлению от угла MgO+CaO+Na2O к стороне K2O - Fe2O3+FeO. Разделение "зрелых" кластолитов по калию и железу отражает природный процесс разделения высокоглиноземистых пелитов на более и менее железистые.

Фигуративные точки анализов сопоставляемых проблемных объектов на серии петрохимических диаграмм вполне отчетливо разделяются на две отдельные группы (облака рассеяния), которые хорошо вписываются в различные эталонные области/шлейфы метаосадков КСФЗ (рис. 2). К первой группе относятся метапсефо-псаммиты Дибровского и Мариупольского участков Приазовья; они соответствуют скелеватскому эталонному шлейфу (светло-серый шлейф на диаграммах) - высокозрелому петрохимическому типу груботер- ригенных осадков. Вторая группа объединяет конгломератовидные породы (с гнейсовым или кристаллосланцевым заполнителем/цементом) Радомышль- ского участка тетеревской серии, окрестностей г. Первомайска и участка слияния рек Великая Высь, Горный Тикич, Гнилой Тикич, метапсефо-псаммиты Зве- нигородско-Шполянского участка, а также ингульские метапсаммо-алевритовые гнейсы. Эта группа хорошо корреспондируется с глееватским эталонным шлейфом (темно-серый шлейф на диаграммах) - незрелым субграувакк-граувакковым петрохимическим типом гру- ботерригенных осадков. Единичный анализ метапсефо- псаммита Сорокинской зеленокаменной структуры занимает промежуточное положение, тяготея все же к скеле- ватскому эталонному типу.

Выводы

Все разнообразие метаморфизованных груботерригенных осадков УЩ сводится к двум петрохи- мическим (и петрогенетическим) ассоциациям/сериям - высокозрелой олигомиктово-монокварцевой и незрелой субграувакково-граувакковой, которые хорошо корреспондируются с эталонными слабометаморфизован- ными груботерригенными ассоциациями разреза палеопротерозоя Криворожской СФЗ - скелеватской и глееватской свитами.

Использование петрохимических сопоставлений дает нам очень важный дополнительный материал для суждений об исходной природе высокометаморфизованных конгломератовидных пород спорного генезиса и их вероятной коррелятивной стратиграфической позиции:

1. Все изученные высокометаморфизованные конгломератовидные породы спорного генезиса, а именно: Радомышльского участка тетеревской серии, окрестностей г. Первомайска, участка слияния рек Великая Высь,

Горный Тикич, Гнилой Тикич, участков Приазовья - Мариупольского, Крутобалкинского и Дибровского, - по своим петрохимическим особенностям (соотношениям петрогенных компонентов) вполне соответствуют первично осадочным груботерригенным породам; они хорошо вписываются в эталонные для палеопротерозоя КСФЗ тренды/шлейфы/ассоциации метапсефо-псаммитов.

2. Петрохимически подтверждаются представления авторов о вероятной коррелятивной позиции спорных метапсефито-псаммитовых объектов УЩ, основанные ранее на литолого-петрографических, структурно-тектонических, стратиграфических и формационных признаках: 1) метакластогенные образования Приазовского мегаблока (Дибровского и Мариупольского участков) соответствуют высокозрелому петрохимическому типу/шлейфу/тренду груботерригенных осадков (скеле- ватскому) и могут быть рассмотрены как относящиеся к соответствующему стратиграфическому уровню, то есть к низам палеопротерозоя; 2) метапсефито-псаммито- вые объекты западной половины УЩ - Радомышльского участка тетеревской серии, Звенигородско-Шполянского участка Приингулья, участка слияния рек Великая Высь, Горный Тикич, Гнилой Тикич, а также окрестностей г. Первомайска - хорошо корреспондируются с незрелым субграувакк-граувакковым петрохимическим типом/шлейфом/трендом осадков (глееватским) и могут быть отнесены к соответствующему стратиграфическому уровню, то есть к верхам палеопротерозоя.

3. Дальнейшее развитие литохимических исследований связано с получением более полных данных по целому ряду геологических структур и стратиграфических подразделений докембрия УЩ, а также вовлечением в сферу литохимических исследований количественных определений в породах ряда индикаторных малых элементов.

Список использованных источников

1. Коржнев, М.Н., Покалюк, В.В. (2013). Метаосадочные петрохимиче- ские серии - критерий палеоклиматических реконструкций в раннем докембрии Криворожско-Кременчугской структурно-формационной зоны Украинского щита. Доповіді НАН України, 8, 120-127.

2. Кренделев, Ф.П. (1974). Металлоносные конгломераты мира. Новосибирск: Наука.

3. Кулиш, Е.А., Покалюк, В.В., Яценко, В.Г. (2007). Петрохимия раннепротерозойских метакластолитов нижней свиты Кривбасса в связи с условиями их седиментации. Киев: Логос.

4. Негруца, В.З. (1990). Докембрийская формация кварцевых конгломератов Балтийского щита. Апатиты.

5. Покалюк, В.В. (2017). Литогенез в раннем докембрии Криворожского железорудного бассейна. LAP LAMBERT Academic Publishing: (ISBN 978-3-33032486-6).

6. Покалюк, В.В., Сукач, В.В. (2015). Литохимия метакластогенных осадков верхов палеопротерозоя Криворожского железорудного бассейна в аспекте палеогеографических и палеотектонических условий формирования. Науковий вісник національного гірничого університету, 2, 14-23.

7. Покалюк, В.В., Сукач В.В. (2014). Седиментогенез в раннем докембрии Криворожского железорудного бассейна: Литохимические типы и MINLITH-нормативный состав метаосадков. Науковий вісник Національного гірничого університету, 6, 5-14.

References

1. Korzhnev, M.N., Pokalyuk, V.V. (2013). Meta-sedimentary petrochemical series - a criterion for paleoclimatic reconstructions in the Early Precambrian of the Krivoy Rog-Kremenchug structural-formational zone of the Ukrainian Shield. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 8, 120-127. [in Russian]

2. Krendelev, F.P. (1974). Metal-bearing conglomerates of the world. Novosibirsk: Nauka. [in Russian]

3. Kulish, E.A., Pokalyuk, V.V., Yatsenko, V.G. (2007). Petrochemistry of the Early Proterozoic metaclastolites of the Lower suite of Kryvbas in connection with their sedimentation conditions. Kiev: Logos. [in Russian]

4. Negrutsa, V.Z. (1990). Precambrian Formation of quartz conglomerates of the Baltic Shield. Apatity. [in Russian]

5. Pokalyuk, V.V. (2017). Lithogenesis in the Early Precambrian of the Krivoy Rog iron ore basin. LAP LAMBERT Academic Publishing: (ISBN 978-3-33032486-6). [in Russian]

6. Pokalyuk, V.V., Sukach, V.V. (2015). Lithochemistry of metaclastogenic sediments of upper paleoproterozoic of Krivoy Rog iron ore basin on aspects of paleogeographic and paleotectonic formation conditions. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2, 14-23. [in Russian]

7. Pokalyuk, V.V., Sukach, V.V. (2014). Early Precambrian sedimentogenesis of Krivoy Rog iron-ore basin: Lithochemical types and MINLITH-standart mineral composition of metasediments. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 6, 5-14. [in Russian]

Размещено на Allbest.ru