Окатанность галек неоархейских полимиктовых конгломератов: расчет и интерпретация (на примере Койкарской структуры, Центральная Карелия)

Труды Карельского научного центра РАН № 2. 2019. С. 80-87 Doi: 10.17076/geo953

краткие сообщения

УДК 552.141:552.142:552.143

окатанность галек неоархейских полимиктовых конгломератов: расчет и интерпретация

А. В. Бакаева, Т. Н. Назарова, С. А. Светов

Институт геологии КарНЦ РАН, ФИЦ «Карельский научный центр РАН», Петрозаводск, Россия

Апробирована методика расчета окатанности кластического материала на примере конгломератов неоархейской молассоидной толщи Койкарской структуры (Центральная Карелия), основанная на использовании фотоснимков обнажений, программы CorelDraw и плагина PlotCalc. По результатам работ установлено, что в молассоидной толще окатанность обломков зависит от их состава и варьирует по разрезу. Для обломков коматиит-базальтового и андезитового состава установлена минимальная степень окатанности, а для плагиопорфировых гранитов максимальная. Предложен латеральный ряд потенциальных источников кластического материала. Показана эффективность математического расчета значений окатанности, благодаря чему может быть получена информация об удаленности источников обломочного материала, необходимая для проведения литологических и геодинамических исследований.

Ключевые слова: полимиктовые конгломераты; окатанность; транспортировка; источники материала; неоархей; Центральная Карелия.

А. V. Bakaeva, T. N. Nazarova, s. A. svetov. rouNDNEss of NEoAROHEAN POLYMiOTic cONGLOMERATE OLAsts; OALcuLATION and INTERPRETATION

The method of roundness calculation based on the use of outcrop photos, the CorelDraw software and the PlotCalc plug-in was tested for the case of conglomerates from the Neoarchean molassoid complex of the Koikary area (Central Karelia). According to the results, the roundness of the debris depends on their composition and varies across the section of the molassoid complex. For the clasts of komatiite-basalt and an-desitic composition the degree of roundness is the lowest, whereas for plagioporphyry granites it is the highest. A lateral series of the potential sources of the clastic material is proposed. The mathematical calculation of roundness values is shown to be efficient,

so that information can be obtained on the remoteness of the sources of clastic material needed for lithological and geodynamic studies.

Keywords: polymictic conglomerates; roundness; transport; sources of material; Neoarchaean; Central Karelia.

Введение

Изучение кластического материала терри-генных пород является надежным инструментом реконструкции состава питающей провинции, ее палеогеографических и тектонических условий образования, а в ряде случаев представляет собой единственный источник информации о полностью эродированных магматических системах.

На территории Карельского кратона (Центральная Карелия) ранее были описаны неоархейские молассоидные комплексы, представленные полимиктовыми конгломератами, интерпретируемые как образования поздних (2,7-2,6 млрд лет) пулл-апарт бассейнов [Све-тов и др., 2005]. Слабая сортировка и неокатан-ный тип обломков комплекса указывают на локальный источник кластического материала, что согласуется с предполагаемым тектоническим режимом его заложения.

В данном исследовании на примере комплекса полимиктовых конгломератов Койкар-ской структуры впервые тестируется математический подход к оценке степени окатанности галек на основе методики, разработанной для зерен кварца песчаной размерности [Ухов, 2013]. При этом в работе основной акцент сделан на изучении взаимосвязи окатанности с режимами и дальностью транспортировки клас-тического материала в ходе формирования неоархейского бассейна седиментации.

Важно подчеркнуть, что изучение окатанности обломочного материала (степени сглаженности первоначальных ребер обломков горных пород вследствие их истирания при транспортировке [Кузнецов, 2007]) традиционно выполняется исследователями «визуальным» способом на основе сравнения формы обломков с эталонными таблицами. При этом изучение сцементированных разновидностей грубообло-мочных пород представляет значительные трудности. В случае слабой цементации некоторый объем породы разрушают и выбирают обломки, сортируя их по размеру и петрографическим типам, визуально оценивая степень окатанности. В случае сцементированных разностей данная методика неприемлема, поэтому окатанность кластики изучается в плоских скальных выходах в 2D-проекции [Логвиненко, 1986].

Вместе с тем существует ряд математических методик для характеристики кластического материала конгломератов, включающих расчеты степеней округленности, уплощенности, изометричности, угловатости, зубчатости, коэффициентов сферичности и др. [Маслов, 2005 и ссылки в ней], чаще всего не используемых геологами из-за сложности первичных замеров.

Объект исследования

Неоархейский молассоидный комплекс Койкарской структуры (центральная часть Ведлозерско-Сегозерского зеленокаменного пояса, Центральная Карелия) представлен ба-зальными конглобрекчиями и полимиктовыми конгломератами, сформированными в районе оз. Питкилампи, и имеет площадь до 8 км2 [Све-тов, 2005; Бакаева, 2018б]. Терригенная толща залегает на вулканитах коматиит-базальтового и средне-кислого состава и имеет реконструируемую мощность от 80 до 230 м.

Обломочный материал конгломератов представлен (по классификации [Логвиненко, 1986]) преимущественно гальками и валунами (мелкими и крупными, до 15 см) основных и ультраосновных пород (коматиитов, базальтов, габбро) и более крупными валунами (до 25-40 см, в редких случаях до 1 м) средне-кислых пород (дацитов, риодацитов, риолитов, гранитов, плагиогранитов). По петрографическим и геохимическим особенностям обломочный материал молассоидной толщи ранее авторами разделялся на несколько серий. Согласно подробному описанию, приведенному в [Бакаева, 2018а], среди обломков основного и ультраосновного состава выделены коматиит-толеито-вая (базальтовые коматииты, вариолиты) и базальтовая (базальты, туфы базальтов, габбро) серии, представленные мелкими валунами и гальками размером до (7-15) х (2-7) см, преимущественно угловатыми и субугловатыми. Обломки среднего и кислого состава разделены на дацит-риолитовую (андезитовые вариолиты, риодациты, дациты, трахидациты, рио-литы) и гранитоидную (плагиограниты, субщелочные граниты, граниты, диориты, кварцевые диориты) серии. Дацит-риолитовые обломки представлены как массивными, так и расслан-

0

цованными гальками (от 1-2 до 8-10 см) и валунами размером до 25 х (7-12) см. В рас-сланцованных конгломератах гальки вытянуты и уплощены. Обломочный материал гранитного состава варьирует по размеру от галечного до крупновалунного (до 1 х 0,5 м). Все обломки субокатанные, лишь в рассланцованных зонах толщи - вытянутые, уплощенные, линзовидные (данные обломки в работе не анализировались ввиду их поздней тектонической деформации).

Методика исследования

Детальное изучение кластического и цементирующего материала неоархейских конгломератов Койкарской структуры комплексом петрографических и геохимических методов проводилось ранее и отражено в [Бакаева, 2018а, б].

В рамках данной работы авторами было выполнено изучение и фотодокументация нескольких представительных обнажений по разрезу (от базальной до верхней части разреза) молассоидного комплекса. Анализ кластичес-кого материала проводился по фотоснимкам высокого разрешения в лицензионной программе CorelDraw с установленным плагином PlotCalc. Важно отметить, что для получения максимально корректного результата авторами анализировались гальки всех составов (от ультраосновных до кислых) размером более 2 см, тогда как гальки меньшего размера принимались за составную часть цементирующей массы (граувакковый материал).

Для оценки степени окатанности обломков была применена методика, основанная на изучении степени окатанности кварцевых зерен песчаников [Ухов, 2013]. Согласно данной методике зерна кварца при транспортировке или переотложении стремятся к приобретению равновесной и устойчивой эллипсоидальной формы, наибольшая близость к которой является самой совершенной степенью окатанности, определяемой автором как 5 класс окатан-ности. В данном исследовании авторы применяют методику с учетом некоторых дополнений: всего выделяются шесть классов окатанности, из которых 1 и 2 классы объединены ввиду редкости существования, их значения составляют 0-4,6 %, тогда как для 3 класса - 4,6-9,9 %, 4 класса - 9,9-21,4 %, 5 класса - 21,4-45,9 %, 6 класса - 45,9-100 %.

Полевые наблюдения позволяют считать, что данная тенденция справедлива не только для отдельных зерен, но и для обломков пород в целом. В связи с вышесказанным авторами данного исследования предпринята попытка

применить описанную методику к галечному материалу полимиктовых конгломератов Кой-карского домена. Для этого на снимках высокого разрешения поверхностей обнажений конгломератов в программе CorelDraw было выполнено оконтуривание обломков разного состава (рис.). Расчет степени и класса окатанности включал несколько итераций и проводился в плагине PlotCalc по следующей схеме: 1) вычисление площади обломка ^обломка); 2) вычисление площади вписанного эллипса, занимающего максимально возможную площадь внутри исследуемого обломка ^впис элл); 3) вычисление площади описанного эллипса, занимающего минимально возможную площадь вокруг исследуемого обломка ^опис элл). Окатанность (О) определялась по формуле: О = (SBniB ^2 / (S х S6 )) х 100 % [Ухов, 2013], схема-

v опис. элл. обломка" L ' J'

тическое отображение результатов представлено на рисунке (в, г) и в таблице 1.

Дополнительно рассчитывалась доля обломков основного-ультраосновного и средне-кислого составов по разрезу молассоидной толщи (на участке оз. Питкилампи) (рис., а).

Результаты и обсуждение

Согласно проведенным подсчетам установлено, что в основании осадочного бассейна обломки мафитового состава размером более 2-5 см составляют ~ 13,7 %, а обломки средне-кислого состава ~ 3,5 % от объема обломочной компоненты, что подтверждается полевыми наблюдениями. К верхним частям разреза (15 м и выше от базальной части) соотношение существенно меняется и преобладают обломки среднего и кислого состава (15,2 % галек к 3,5 % мафитового материала).

В качестве контролирующего фактора «окатанности» для характеристики дальности переноса обломков в случае терригенных пород (чаще всего средне- и мелкозернистых) может выступать «химический маркер», а именно - отношение титана к цирконию (Ti/Zr). Величина данного отношения позволяет оценить дальность транспортировки терригенного материала в связи с тем, что лучшей сохранностью при сносе обладает циркон по сравнению с Ti-содержащими минералами [Интерпретация..., 2001]. Так как объектом исследования являются грубообломочные породы - полимиктовые конгломераты, данный модуль не может быть применен к кластическому материалу ввиду его крупности, но данное отношение можно оценить по цементирующей массе, представленной грауваккой. Ранними исследованиями было установлено, что состав матрикса кон-

Строение базальной части молассоидного комплекса Койкарской структуры (Центральная Карелия) (А), распределение Ti/Zr-модуля в матриксе по разрезу (Б), морфология полимиктовых конгломератов с примерами трассировки обломков и оценки степени их окатанности (В-Е).

Условные обозначения к колонке (А) и графику Ti/Zr (Б): характеристика галек (1-3): 1 - мелкогалечная конглобрекчия, 2 - валунно-галечный полимиктовый конгломерат, 3 - полимиктовые конгломераты «лахароподобного» типа; характеристика цемента (4-8): 4 - кора выветривания, 5 (11) - лититовая граувакка, 6 (12) - вулканомиктовая мафитовая граувакка, 7 (10) - граувакковый песчаник, 8 (9) - цемент из перемытой коры выветривания.

Условные обозначения к фотографиям: В - контуры галек основного, ультраосновного, среднего и кислого составов, очерченные для оценки степени окатанности и расчета их процентного содержания на площади; Г - обломок дацит-риолитовой серии с окатанностью 19,4 %

The structure of the basal part of the molassoid complex of the Koikary area (Central Karelia) (А), Ti/Zr ratios in the matrix (Б), the morphology of polymictic conglomerates with examples of tracing clasts and assessing the degree of their roundness (В-Е).

Legend

гломератов неоднороден по разрезу и зависит как от типа подстилающих пород, так и от магматических комплексов, находящихся в области эрозии. Цемент конгломератов в основании осадочной толщи (первые 40-50 см) представлен преимущественно продуктами разрушения коры выветривания коматиитов, выше по разрезу - неоднородно чередующимися слоями вулканомиктовой мафитовой граувакки, лити-товой граувакки и грауваккового песчаника,

в результате изучения которых установлены потенциальные источники цемента конгломератов, а именно: коматииты, туфы коматиитов и дацит-риолитовые комплексы, продукты разрушения которых существенно повлияли на состав матрикса и, как установлено позже, обломочного материала.

Таким образом, в данном исследовании Т^ Zr-отношение приводится по цементу конгломератов [Бакаева, 2018б].

Таблица 1. Степень окатанности обломочного материала, рассчитанная по фотоснимкам обнажений молассоидного комплекса Койкарской структуры (см. рис.), по методике [Ухов, 2013]

Table 1. The degree of roundness of clastic material, calculated from the outcrop photos of the molassoid complex of the Koikary area (see fig. 1, в) according to the method [Ukhov, 2013]

Обломки S 2 S Sобломка Sclast

Clasts S 2 ell. insc. (м2) Sell. desc (м2) n

Основного и ультраосновного состава Mafic and ultramafic composition 11,2x10-8-24,1x10-3 9,7x10-4-38,1x10-2 5,1x10-4-22x10-2 9,5-40,1 3-5

Среднего и кислого состава Intermediate and felsic composition 3,1x10-8-7,4x10-7 4,1x10-4-1,6x10-3 22,9x10-5-11x10-4 19,4-63,7 4-6

Примечание. О - окатанность, П - класс окатанности [Ухов, 2013]. Ti/Zr - по: [Бакаева, 20186]. Note. O is roundness, П - roundness class [Ukhov, 2013]. Ti/Zr - after [Bakaeva, 20186].

Значение Т^г-отношения в матриксе конгломератов (рис., б) варьирует от 116,1 до 372,5 [Бакаева, 20186]. Полученные результаты имеют близкие значения к данным Т^г-модуля в предполагаемых материнских породах (преимущественно коматиитах и базальтах) Койкарского домена в районе оз. Пит-килампи [Бакаева, 20186], что свидетельствует об их существенном влиянии на состав цемента и локальном сносе продуктов их разрушения (возможно, первые километры), послуживших «строительным материалом» молассоидной толщи. Столь высокие значения отношения титана к цирконию и отсутствие значимых изменений в цементе и кластах (процессов разрушения и переработки исходных минеральных парагенезов) согласуются с выводом об отсутствии длительной транспортировки обломочного материала и компонентов матрикса конгломератов.

В результате проведенных исследований метод, ранее применяемый для оценки ока-танности кварцевых зерен песков (с использованием плагина Р1оЮа1с), был опробован для оценки окатанности кластического материала полимиктовых конгломератов архейского молассоидного комплекса Койкарской структуры Центральной Карелии.

Установлено, что в молассоидной толще окатанность обломков не только варьирует по разрезу, но и зависит от типа обломочного материала (табл. 2). Степень окатанности мафитовых обломков, которая составляет 9,5-40,1 % и относится к 3-5 классам, отвечает незначительному, локальному переносу (первые километры) материала. Для обломков среднего и кислого состава разброс значений окатанности более существенный (от 19,4 до 63,7 %) и соответствует 4-6 классам окатанности. Максимальные значения

Таблица 2. Окатанность, класс окатанности обломочного материала полимиктовых конгломератов молассоидного комплекса Койкарской структуры

Table 2. Roundness, class of roundness for the clastic material of polymictic conglomerates of the molassoid complex from the Koikary area

Пробы

21-3 Коматиит-толеитовая Komatiite- tholeiite Базальтовый коматиит Basalt-komatiite 9,5-35,4 35,1 ' сред 5

18-3b Базальтовый коматиит Basalt-komatiite

к-3-2 Базальтовый коматиит Basalt-komatiite

к-3-5 Базальтовый коматиит Basalt-komatiite

к-4-2 Базальтовая Basaltic Туф базальта Tuff of basalt 20,1-40,1 30,6 ' сред 5

к-2-3 Базальт Basalt

0

Таблица 2

Пробы

к-2 Дацит-риолитовая Dacite-rhyolite Андезит(вариолитовый) Andesite 19,4-50,9 36,9 сред 4-6

18-2b Дацит Dacite

18-2e Дацит Dacite

21-2 Риолит Rhyolite

20-1b Дацит Dacite

18-5c Дацит

18-2c Дацит

к-2-2 Дацит Dacite

18-2d Дацит Dacite

20-1a Дацит Dacite

18-2а Гранитоидная Granitoid Лейкогранит Leucogranite 24,2-63,7 35,0 сред 5-6

21-1a Гранит Granite

18-5b Гранит

к-4-1 Крупнозернистый гранит, валун Coarse-grained granite, boulder

к-6-1 Гранитный валун Boulder of granite

148-1 Плагиопорфировый гранит Plagioporphyritic granite

к-3-1 Мелкозернистый гранит, валун

Примечание. *Серии выделены по данным: [Бакаева, 2018а]; с/щ - субщелочная серия (значения Na2O+K2O в обломках 9,64-10,23 мас. %).

Note. The series are given after [Bakaeva, 2018а]; (s/a) - subalkaline series (Na2O+K2O values in clasts are 9.64-10.23 wt. %).

окатанности получены для плагиопорфировых гранитов (63,7 %), а минимальные - для да-цитов и риолитов (от 19,4 до 50,9 %). Используя данную методику наряду с Т^г-модулем, рассчитанным для цемента конгломератов, можно предположить латеральный ряд потенциальных источников, среди которых максимально приближенными будут магматические комплексы мафитового и дацит-риолитового составов (наблюдаемые в настоящее время в районе оз. Питкилампи), а максимально удаленными - гранитного состава. Данный вывод согласуется с ранее проведенными

исследованиями, в результате которых установлено геохимическое сродство обломочного материала и матрикса конгломератов с подстилающими осадочный бассейн кома-тиит-базальтовыми комплексами и дацит-ри-олитовыми ассоциациями района оз. Питки-лампи.

Методика оценки степени окатанности кварцевых зерен, апробированная в данной работе, показала эффективность применения данного метода и для грубообломочных пород. Ее преимуществами являются очевидная простота анализа и экспрессный расчет значений ока-

танности, благодаря которым уже на инициальных стадиях исследований может быть получена информация о латеральной последовательности вероятных источников обломочного материала осадочной толщи, необходимая для проведения как литологических, так и геодинамических исследований.

Финансовое обеспечение исследований осуществлялось из средств федерального бюджета на выполнение государственного задания КарНЦ РАН (Институт геологии КарНЦ РАН).

Авторы благодарят И. С. Ухова за консультации по применению представленной методики, А. И. Слабунова и С. Ю. Чаженгину за детальное и во многом критическое обсуждение полученных результатов.

Литература

Бакаева А. В. Грубообломочный материал неоархейского молассоидного комплекса Центральной Карелии: петрографическая и геохимическая характеристика // Актуальные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2018а. С.16-20.

Бакаева А. В. Матрикс полимиктовых конгломератов неоархейского молассоидного бассейна Кой-карского домена: геохимическая характеристика, источники материала // Труды КарНЦ РАН. 20186. № 2. С. 111-121. doi: 10.17076/geo766

Интерпретация геохимических данных / Под ред. Е. В. Склярова. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. Т. I. 288 с.

Кузнецов В. Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение: Учеб. пособие для вузов. M.: Не-дра-Бизнесцентр, 2007.511 с.

Логвиненко Н. В., Сергеева Э. И. Методы определения осадочных пород: Учеб. пособие для вузов. Л.: Недра, 1986. 240 с.

Маслов А. В. Осадочные породы: методы изучения и интерпретации полученных данных: Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. 289 с.

Светов С. А., Светова А. И., Назарова Т. Н., Антропова Е. А. Неоархейские пулл-апарт бассейны Центрально-Карельского террейна: породные последовательности и литогеохимическая характеристика // Геология и полезные ископаемые Карелии. Вып. 8. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. С. 5-17.

Ухов И. С. Новая методика определения окатанности песчаных кварцевых зерен // Ярославский педагогический вестник. 2013. Т. III (Естественные науки), № 4. С. 284-289.

Поступила в редакцию 26.12.2018

References

Bakaeva A. V. Grubooblomochnyi material neo-arkheiskogo molassoidnogo kompleksa Tsentral'noi Karelii: petrograficheskaya i geokhimicheskaya kharakte-ristika [Rudaceous material of the Neoarchean molassoid complex in Central Karelia: petrographical and geochem-ical characteristics]. Aktual'nye probl. geol., geofiziki i geoekol. [Topical iss. of geol., geophys., and geoecol.]. Petrozavodsk: KarRC RAS, 2018а. P. 16-20.

Bakaeva A. V. Matriks polimiktovykh konglomeratov neoarkheiskogo molassoidnogo basseina Koikarskogo domena: geokhimicheskaya kharakteristika, istochniki materiala [Matrix-supported polymictic conglomerates of the Neoarchean molassoid basin of the Koikary domain: geochemical characteristics, sources of material]. Trudy KarNTs RAN [Trans. KarRC RAS]. 20186. No. 2. P. 111-121. doi: 10.17076/geo766

Interpretatsiya geokhimicheskikh dannykh [Geochemical data interpretation]. Moscow: Intermet In-zhiniring, 2001. Vol. I. 288 p.

Kuznetsov V. G. Litologiya. Osadochnye gornye po-rody i ikh izuchenie: Ucheb. posobie dlya vuzov [Litholo-gy. Sedimentary rocks and their study: a university textbook]. Moscow: Nedra-Biznestsentr, 2007. 511 p.

Logvinenko H. V., Sergeeva E. I. Metody opredele-niya osadochnykh porod [Methods for determining sedimentary rocks]. Leningrad: Nedra, 1986. 240 p.

MaslovA. V. Osadochnye porody: metody izuche-niya i interpretatsii poluchennykh dannykh [Sedimentary rocks: methods for studying and interpreting the obtained data]. Ekaterinburg: Izd-vo UGGU, 2005. 289 p.

SvetovS. A., Svetova A. I., Nazarova T. N., Antropo-va E. A. Neoarkheiskie pull-apart basseiny Tsentral'no-Karel'skogo terreina: porodnye posledovatel'nosti i litogeokhimicheskaya kharakteristika [The Neoar-chaean pull-apart basins of the Central Karelian terrain: rock sequences and lithogeochemical characteristics]. Geol. i polez. iskopaemye Karelii [Geol. Mineral Res. Karelia]. Iss. 8. Petrozavodsk: KarRC RAS, 2005. P. 5-17.

Ukhov I. S. Novaya metodika opredeleniya okatan-nosti peschanykh kvartsevykh zeren [A new technique to define roundness of sandy quartz grains]. Yaroslavskii ped. vestnik [Yaroslavl Pedagogical Bull.]. 2013. Vol. III, no. 4. P. 284-289.

Received December 26, 2018

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:

CONTRIBUTORS:

Бакаева Александра Владимировна

аспирант

Институт геологии КарНЦ РАН, Федеральный исследовательский центр «Карельский научный центр РАН»

ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия,

Россия, 185910

эл. почта: sashe-ku@yandex.ru

Bakaeva, Alexandra

Institute of Geology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: sashe-ku@yandex.ru

Назарова Татьяна Николаевна

научный сотрудник Институт геологии КарНЦ РАН, Федеральный исследовательский центр «Карельский научный центр РАН»

ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия, Россия, 185910

эл. почта: nazarova@krc.karelia.ru

Nazarova, Tatyana

Institute of Geology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: nazarova@krc.karelia.ru

Светов Сергей Анатольевич

директор, д. г.-м. н. Институт геологии КарНЦ РАН, Федеральный исследовательский центр «Карельский научный центр РАН»

ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия, Россия, 185910

эл. почта: ssvetov@krc.karelia.ru

Svetov, Sergey

Institute of Geology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: ssvetov@krc.karelia.ru