И. А. Шамрай, П. П. Кохановский, С. Я. Орехов. Цеолит-глауконитовая аутигенноминералогическая провинция на юге русской плиты

Получившая в природе очень широкое развитие многочисленная политеистическая группа минералов, известных под названием цеолитов, до последнего времени оставалась мало изученной. Особенно слабо освещались минералы цеолитовой группы, связанные своим происхождением с осадочными породами и с процессами седиментогенеза. Лишь в последние десятилетия начались серьезные общегеологические и минералогические исследования цеолитов осадочной группы [1-3; 5-7, 12 и др.]. В эти же годы цеолиты осадочного происхождения, распространенные на юге и юго-востоке Русской плиты, рассматривались и в наших работах [8-11].

В широкой полосе юга и юго-востока Русской плиты отмечаются цеолиты в различных по возрасту формированиях. В значительных концентрациях они найдены в некоторых аргиллитах среднего карбона в северо-восточной периферийной полосе Донбасса (Ворошиловградская область). Нередко очень высокими содержаниями этого минерала на данной территории отличаются слои верхнего мела - глинисто-алевритистые породы сеномана и реже сантона (Волгоградское Поволжье, Доно-Медведицкие дислокации, Донская Лука, территория нижнего бассейна р. Донца и др.). Однако наиболее высокими концентрациями и наиболее мощно цеолитовые проявления устанавливаются в различных горизонтах и свитах палеогеновой толщи.

Исследуя территорию юго-востока Русской плиты и отчасти северо-восточную полосу Скифской плиты мы определили, что значительной мощности цеолптсодержащие породы прослеживаются на больших площадях распространения палеоценовых формирований. Так же, по-существу, региональное развитие получили обогащенные цеолитом породы в составе нижнего-среднего эоцена. На Дону и в Восточном Донбассе это мощные слои бучакского яруса, на Волге - царицинские и мечетинские слои.

На этой территории реже встречаются цеолиты с меньшими концентрациями и меньшей мощностью в породах верхнего эоцена, главным образом, в слоях харьковского яруса (белоглинская свита).

Интересно отметить, что к югу от рассматриваемой территории Русской плиты, как, например, на больших региональных площадях Азово-Кубанской и Тероко-Кумской впадин и на Северном Кавказе цеолитовые проявления ни в палеогеновых, ни в меловых слоях в заметных количествах не отмечаются. Лишь местами в полосе Центрального Предкавказья, в катагенетически сильно измененных песчанистых породах нижней юры, залегающих на значительных глубинах встречаются небольшие метасом этические выделения ломонтита. Они образуются по литокластическому туфогенному материалу в результате его катагенетических преобразований.

В общем результаты полевых и камерально-лабораторных исследований показывают, что наиболее обогащенными цеолитовыми минералами являются породы и мощные слои палеогена и в меньшей степени верхнего мела. Особенно серьезного внимания заслуживают. Эти породы в широкой полосе юга Русской плиты, захватывающей Нижнее Поволжье, Нижний Дон, Восточный Донбасс (периферийные его зоны). По некоторым предварительным данным, эта полоса продолжается даже на запад в бассейне Днепра.

Основываясь на этом, можно прийти к выводу, что рассматриваемая полоса юга Русской плиты может быть выделена как особая целитовая мел-палеогеновая аутигенно-минералогическая провинция, или даже мел-палеогеновая цеолитовая формация. Породы верхнего мела и особенно палеогена, резко обогащенные цеолитом, выходят на дневную поверхность на территории этой провинции во многих местах, в склонах речных и балочных врезов. На водораздельных пространствах эти же породы, нередко несколькими горизонтами, обычно на небольших глубинах, вскрываются буровыми скважинами (рис. 1).

По литологичеекому характеру цеолитсодержащие породы на рассматриваемой территории относятся, почти исключительно, к кластогенному типу. Большей частью это песчанистые породы, реже алевролиты и алевритистые глины (рис. 2).

Рис. 1. Некоторые разрезы цеолитсодержащих палеогеновых отложений Нижнего Дона: 1 - песчаники-рыхляки цеолитовые; 2 - алевролиты цеолитовые; 3 - миктолиты цеолитовые; 4 - песчаники - рыхляки глауконитизированные; 5 - глины радиолярит - спонголит - диатомовые; 6 - глины опоковидные песчанистые; 7 - глины известковистые; 8 - песчаники-рыхляки известковистые; 9 - песчаники окремненные; 10 - глины известковистые, мергелидиатомовые; 11 - спонголит-радиоляриты глинистые; 12 - известняки и мергели; 13 - глины алевритистые; 14 - гравелит глауконит-фосфоритовый

Главным образом, за счет наличия в этих породах значительных количеств цеолитового материала, обусловливается их некоторая рыхляковая цементация (пеечаники-рыхляки, алев. ролиты-рыхляки). Палеогеновые породы с подобным цеолитовым цементом в выходах их на дневную поверхность, например, в склонах р. Волги (окрестности г. Волгограда), на Дону способны создавать и удерживать крутые, высокие, обрывистые склоны этих рек. Визуально кажущаяся некоторая глинистость этих пород, большей частью обусловливается присутствием цеолита и иногда опала.

Фациально цеолитсодержащие породы, несомненно относятся к морским, сравнительно мелководным формированиям.

Большей частью это осадки мелководного шельфа, накопившиеся в условиях морских, по-видимому, вдоль береговых течений (песчаники-рыхляки среднего эоцена). Местами подобные породы должны быть отнесены к крайним прибрежным фациям, как, например, цеолитовые алеврюлиты-рыхляки царицинского яруса на Волге. Обычно почти постоянное присутствие в породах вместе с цеолитом значительных глауконитовых масс, а также некоторых органических остатков (форами-ниферы, радиолярии, спикулы губок и др.) является бесспорным доказательством морского происхождения цеолитсодержащих пород, а тем самым и цеолита. Лагунный фациальный характер некоторых цеолитсодержащих алевролитов доказывается повышенным содержанием в них углисто-растительного органического материала и усиленной их переработкой илоядными организмами.

Рис. 2. Профиль правого склона р. Волги (г. Волгоград) с цеолитизированными алевролитами и окремненными песчаниками (кварциты): 1 - песчаники - рыхляки алевритистые; 2 - алевролиты песчанистые цеолитизированные; 3 - пески кварцевые отсортированные; 4 - песчаники окремненные (кварциты); 5 - глины темносерые

Тонкие цеолитовые микрочастицы и микрокристаллик и находятся в рассматриваемых породах в виде равномерно рассеянных и равномерно распределяющихся масс. Они размещаются в тонких полых пространствах между зернами терригенных минералов доставляя в отдельных слоях значительного объема (до 15-20% и выше) общей массы породы. Местами цеолитообравование в породах сопровождалось возникновением сгуетковых цеолитовых концентраций, чаще всего в виде цеолитовых сростков. Они приурочены к межслоевым пространствам и пустотам, по-видимому, усадочного происхождения. Очень часто сгустковая, пятнистая локализация неолита, особенно в алевролитах, осуществлялась в ходах илоядных организмов. Подобные пятнистые породы с ходами илоядов, заполненные цеолитом (рис. 3), хорошо прослеживаются в разрезах среднего эоцена на Волге и в бассейне р. Дон (реки Чир, Глубокая, Хопер и др.). Наконец, сростковые концентрации цеолита во многих местах рассматриваемой территорий образуются по некоторым органическим остаткам, чаще всего по их кремнистым представителям. Часто цеолитовым кристаллическим материалом полностью выполнены каналы спикул губок и, в особенности, камеры радиолярий.

В исследованных нами разрезах мел-палеогеновой толщи на Дону и на Волге, а также в Донбассе, цеолитопроявления представлены несколькими типоморфными разностями минерала. На наш взгляд, наиболее постоянной морфологической разновидностью цеолита, получившей широкое развитие на рассматриваемой территории, являются хорошо выраженные микрокристаллические массы, почти всегда с идеально одинаковыми размерами цеолитовых кристалликов.

Рис. 3. Алевролит с ходами илоядов, заполненными цеолитопаловой массой (светлое) - 3/4 натуральной величины

При этом каждый отдельный цеолитовый кристаллик представляет собой свободный обособленный идиоморфный индивид, без заметных следов его срастания с соседними кристалликами и с вмещающими осадочными массами. Однако не менее часто эти же цеолитовые кристаллики образуют друг с другом тонкие инкрустации и микроскопические хрупкие, ажурные сростки деидритовидного характера. Последние, как отмечалось выше, обычно развиваются в усадочных и межслоевых пустотках, а также в порах и каналах кремнистых органических остатков. Сравнительно крупные пустотки и каналы по ходам илоядных организмов обычно заполняются свободными кристалликами цеолита. В этих случаях цеолит почти всегда парагенетически связан с массами глобулярного опала.

Идиоморфные кристаллики цеолита нередко идеально окристаллизованы. По микроскопическим данным, хорошо устанавливается их принадлежность к моноклинной сингонии. Это удлиненные по оси «с», скошенные на концах кристаллики. Они почти всегда представляют собой хорошо выраженные комбинации трех пинакоидов (100), (010), (001). Размеры кристалликов по оси «с» обычно колеблются в пределах 8-9 мк, по оси «а» - не превышают 3-4 Мк. Второй пинакоид (010) для всех кристалликов цеолита характеризуется максимальным развитием.

Те же пинакоидальные формы хорошо устанавливаются в сростковых, дендрит обидных и инкрустационных проявлениях цеолита. Срастание двух соседних цеолитовых кристалликов происходит преимущественно по первому и второму пинакоидам. Друзовые, инкр уст анионные морфологические формы цеолитов осуществляются по третьему пинакоиду. При разрушении сростков чаще всего обломанными краями характеризуются направления по третьему и отчасти по первому пинакоидам.

В некоторых разрезах и на некоторых площадях рассматриваемой провинции цеолитовые кристаллики характеризуются заметно изъеденными пильчатыми краями. Это, по-видимому, объясняется частичным растворением цеолитового материала в результате гипергенных процессов. Однако подобным растворением захвачены также лишь края кристалликов по третьему и первому пинакоидам.

По оптическим данным, цеолитовые массы и цеолитовые кристаллики характеризуются хорошей прозрачностью и слабой бледной палево-желтоватой окраской. Показатели преломления кристалликов очень низкие. Их измерениями в иммерсионных жидкостях установлено - Ng- 1,484, по Np - 1,481. Как видно из этих данных, очень низким значением также характеризовалось двупреломление кристалликов рассматриваемого цеолита. Практически эти кристаллики под микроскопом почти изотропны, что отчасти также объясняется их мелкими размерами.

Гидравлическим путем (огмучиванием) были определены сравнительно чистые концентраты цеолитовой массы (Николаевский разрез на Дону бучакеких цеолитовых песчаников-рыхляков, Волгоградский разрез песчаников-рыхляков мечетинской свиты). Для этих концентратов, кроме отмеченных микроскопических исследований, были выполнены термографические анализы. Дифференциа><льные кривые нагревания и кривые обезвоживания показали, что в составе минерала присутствует типично цеолитная вода, постепенно выделяющаяся при нагревании в температурном интервале до 450>⁰.

Цеолитовые порошки, выделенные из тех же среднеэоценовых пород на Волге и в ряде мест на Дону (разрезы Николаевский, Цимлянский, Тацинский и др.) были подвергнуты рентгеноструктурному анализироваиию. Полученные дифрактограммы этих порошков позволяют с достаточным основанием относить цеолитовый материал отмеченных разрезов, как, собственно, почти и всей цеолитовой провинции на юге Русской плиты к группе гейландита. Именно за счет гейландита следует относить фиксирующиеся на дифрактограммах весьма отчетливые рефлексы d-9,2; 7,9; 5,06; 4,30; 3,99; 2,93; 2,04. Возможно, гейландит на рассматриваемой территории следует более точно определять как клиноптилолит, на что указывает несколько повышенное содержание в минерале калия и кальция.

По-видимому, к особой типоморфной разновидности гейландита-клиноптилолита следует отнести широкотаблитчатые формы цеолита, местами проявляющиеся в палеогеновых слоях рассматриваемой территории. Подобные формы отмечены нами в разрезах среднего эоцена в Северо-Западном Прикаспии (зона солянокупольной тектоники), а также в тех же ореднеэоценовых слоях на Миусеко-Таганрогской площади (Северо-Восточное Приазовье). Ромбические, или, по-видимому, пеевдоромбические таблитчатые кристаллики цеолита, нередко хорошо выражены и достигают сравнительно крупных размеров, часто до 20-25 мк в длину, по оси «с», Под микроскопом хорошо устанавливается, что таблички обычно представляют собой комбинацию ромбической призмы и двух пи-накоидов (010 )и (001). Часто второй пинакоид сильно искажен и имеет извилистые края, что, возможно, объсняется процесами роста.

Редко наблюдаются сростковые образования типа параллельного срастания по первому пииакоиду, получившему в кристалликах наибольшее развитие и обусловившему собой таблитчатую форму микрокристаллов данного минерала. По оптическим даным, минерал также, как и более тонкие пинакоидальные и сростковые формы, характеризовался бледной, чуть палево-буроватой окраской и очень низкими светопреломлением и двупрсломлением. Определявшиеся с помощью иммерсионных жидкостей показатели преломления дали по Ng-1,487, по Np-1,490, что указывает на очень низкое двулучепреломление рассматриваемого цеолита. И, действительно, под микроскопом таблички минерала, даже наиболее крупные из них, практически почти не двупреломляют. Лишь с помощью компенсатора удается установить анизотропность, минерала, положение и наименование его осей.

Парагепетнческий аутигеипый комплекс минералов, с которым связаны цеолиты рассматриваемой провинции характеризуется сравнительной сложностью, хотя и непостоянной однотипностью. Терригенный комплекс минералов цеолитсодержащих пород, как для палеогеновой, так и для меловой систем характеризуется постоянно олигомиктовым в основном кварцевым составом. Полевые шпаты составляют всего несколько процентов. Сравнительно редкими зернами встречаются обломки горных пород и слюды. В наиболее мелкозернистых песчанистых и алевритистых цеолитсодержащих породах всегда присутствует в переменных количествах глинистый материал, неравномерно размещающийся в виде линзовидных скоплений и микропрослойнов.

Почти постоянным парагенетическим минералом цеолитовых пород является глауконит, содержащийся примерно в таких же количествах, как и цеолит. По-существу, цеолит и глауконит в этих породах следует рассматривать в качестве основных, главнейших аутигенных минералов. Основываясь на этом, данная территория в свое время определялась как глауконитовая мел-палеогеновая формация [9, 10]. На наш взгляд, рациональнее определять эту территорию, как цеолит-глауконитовую формацию.

Местами существенное значение имет опал как парагенегический минерал, образовавшийся вместе с цеолитом. Его заметные количества, нередко не уступающие количествам цеолита, отмечаются в алеврит-глинистых и в тонкозернистых алеврит-песчанистых породах, обогащенных углистым материалом. В подобных темно-серых, местами почти черных, по-видимому, лагунных породах цеолит концентрируется вместе с глобулярными массами опала, главным образом, в ходах илоядных организмов и в сравнительно редких усадочных порах и пустотках.

Здесь же в качестве парагенетических минералов, присутствующих в цеолитсодержащих породах данной территории, следует отметить сидерит и пирит. Первый обычно представлен сфероидальными розетковидными образованиями, второй - наблюдается большей частью в виде мелких фрамбоидальных выделений.

Парагенетический комплекс минералов, а также структурные и текстурные особенности цеолитовых пород, позволяют подойти в общих чертах к решению вопросов об условиях образовния мощных цеолитовых формирований и осадочных цеолитов рассматриваемой провинции на юго-востоке Русской плиты. Несомненно цеолитообразование рассмотренной гейландитовой группы происходило в донных морских осадках. На это указывает связанный с цеолитами пурагенетический комплекс минералов, в особенности глауконит, а также находящиеся в цеолитовых породах морские органогенные остатки (радиолярии, спикулы губок, фораминиферы, кокколитофориды).

Также, по-видимому, следует считать бесспорным мнение геолотов, рассматривающих цеолиты в осадочных мезо-кайнозойских формированиях как результат геохимических процессов и диагенетических преобразований. Это подтверждается пространственными размещениями цеолитовых масс в цеолитовых породах. Концентрации этих масс в усадочных порах и пустотках, межслоевых пространствах, в камерах и каналах органических остатков является доказательством диагенетического происхождения цеолитового материала. На это же указывает хорошо выраженный идиоморфизм кристаллических цеолитовых масс.

Паратеистический минералогический комплекс так же позволяет подойти к решению вопроса об общих геохимических условиях цеолитообразования на данной территории. Присутствие в породах значительных количеств глауконита говорит о том, что цеолитообразование вместе с глауконитом происходило в диагенетически изменявшихся илах, в зоне совмещающейся с окислительно-восстановительной границей, либо близко совпадающей с ней. Возможно, в некоторых местах эта граница цеолитообразования несколько опускалась, захватывая зону чисто восстановительных процессов. На это указывает наличие вместе с цеолитом заметных содержаний сидерита, пирита и углистого материала.

Хорошо выраженный идиоморфизм цеолитовых масс, также свидетельствует о том, что вряд ли осадочное цеолитообразование данного региона можно рассматривать как результат метас этических замещении аллотигенных осадочных масс, например, вулканических неплов. По-видимому, цеолит выпадал и выкристаллизовывался в норовых пространствах и усадочных пустотаах за счет ассоциирования и синтезирования свободных масс кремнезема, глинозема и щелочей, содержавшихся в достаточных количествах в иловых растворах диагенетически изменявшихся илов. Избыточные количества кремнезема в иловых растворах доказываются повышенными содержаниями опала, местами выпадавшего вместе с цеолитом. Значительное содержание глинозема и щелочей в иловых растворах подтверждается широким диагенетическим глауконитообразованием, происходившим одновременно собразованием цеолита.

Повышенные количества опала, местами содержащиеся вместе с цеолитом, указывают, что иловые растворы, в которых кристаллизовался цеолит и выпадали избыточные массы кремнезема характеризовались весьма пониженными значениями рН. Возможно, это объясняется значительным удалением из иловых растворов щелочных элементов, расходуемых в процессе кристаллизации цеолитовых масс. Местами повышенные содержания в диагенетически изменяющихся осадках растительного органического материала также являлись, вероятно, причиной снижения значений рН и выпадения избыточных количеств кремнезема.

Следует признать, что морской бассейн в его мелководных зонах в меловое и палеогеновое время на юге Русской плиты, по-видимому, характеризовался особыми гидро- и геохимическими условиями, вызванными поступлением в бассейн повышенных масс железа, глинозёма, кремнезёма и др. Есть основания предполагать, что поступление этих масс в морской бассейн осуществлялось с широких, более северных областей Русской плиты и с Урала. В частности, оно могло обусловливаться размывом мощных пермских пестроцветных формирований, имеющих региональное развитие на востоке и северо-востоке Русской плиты.

Интерес представляют процессы, связанные с гипергенными измененяими цеолитсодержащих пород и цеолитов. В результате этих изменений цеолитовые массы на рассматриваемой территории в условиях выхода их на дневную поверхность подвергаются в значительной своей части полному разложению с выделением свободных подвижных масс кремнезёма, глинозёма и др. [4, 1.3]. За счет этих масс во многих местах данной территории происходит образование вторичных кремнистых пород, таких, как опоки, кремнистые песчаники, осадочные вторичные кварциты и др. [11]. Подобные вторичные кремнистые породы могут являться важным признаком, указывающим на наличие цеолитовых залежей на ближайших площадях.

Литература

1. Е. З. Бурьянова. Анальцим и цеолитсодержащие осадочные породы Тувы. Изв. АН СССР, серия геологическая, 1960, № 6.

2. Е. З. Бурьянова, В. В. Богданов. Закономерности распределения аутигенных цеолитовломонтита и гейландита - в осадочных породах Тарбагатайского месторождения угля. «Литология и полезные ископаемые», 1967, № 2.

3. Г. И. Бушинский. Морденит в морских отложениях юры, мела и палеогена. ДАН СССР, т. 73, 1950, № 6.

4. В. Т. Дудукалов. Основные факторы окремнения песчаных пород. Материалы IX научной конференции аспирантов. Изд-во Ростовского ун-та, 1969.

5. Н. В. Ренгартен. Аутигенный анальцим в песчаниках Казанского яруса Кировской области. Зап. Всесоюзного Мин. о-ва, ч. 69, Ms 1, серия, 2, 1940.

6. Н. В. Ренгартен. Цеолит из группы морденита в верхнемеловых и палеогеновых морских отложениях восточного склона Урала. ДАН СССР, т. 48, 1945, № 8.

7. Э. Э. Сендров, Н. И. Xитаров. Цеолиты, их синтез и условия образования в природе. М., «Наука», 1970.

8. И. А. Шамрай. Литологическое расчленение третичной толщи на левобережье нижнего течения реки Дон. Уч. зап. Ростовского ун-та, т. 17, вып. 4, 1952.

9. И. А. Шамрай. Мел-палеогеновая глауконит-песчанистая формация юга Русской платформы и ее литологические особенности. Тр. межвузовской конф. «Формации Донбасса». Изд-во Харьковского ун-та, 1964.

10. И. А. Шамрай. Палеоген Восточного Донбасса и Северного крыла Азово-Кубанской впадины. Изд-во Ростовского ун-та, 1964.

11. И. А. Шaмpай. Кремнистые породы юго-востока Русской платформы и условия их образования. «Литология и полезные ископаемые», 1965, № 2.

12. С. И. Шумейко. Разновидности аутигенного осадочного гейландита в верхнемеловых отложениях Украины. ДАН СССР, т. 144, 1962, № 6.

13. В. Эйтель. Физическая химия силикатов. М., Изд-во иностр. лит., 1962.