В лабиринтах литохимии (часть 2)

Окончание.

Начало в Вестнике № 1.

По данным Д. В. Борхвардта и С. Б. Фелицина (1992 г.), мощность верхневендских туфов, регионально развитых на Русской платформе, достигает десятков метров. Среди них выделяются две контрастные петро-химические разновидности: (а) кремнистые (преобладающие), содержащие 71-82 % БЮ2, 7-15 % А1203, и (б) высокоглиноземистые с 50—58 % £ю2, 21.0—29.5 % А1203. Особо примечательна вторая разновидность, в которой содержания примесных элементов-гидролизатов 2г, НГ, У и ТЪ оказываются в 1.5—2 раза выше, чем во вмещающих их редкинских аргиллитах. Ввиду очевидного несходства составов редкинских туфов и современных (а также голоценовых) кислых вулканических пеплов, петербургские геологи пришли к выводу, что редкинская пирокластика претерпела процесс гальмиролиза, что и стало причиной дифференциации ее химического состава. Допускается, что процесс шел по двум линиям: формировались гидролизатные продукты типа монтмориллонитовых глин с параллельным окремнением вмещающих терригенных осадков за счет вынесенного кремнезема [14, с. 298].

Как видно на модульной диаграмме (рис. 5) средние составы аргиллитов и двух разновидностей туфов хорошо обособляются по величине гидролизатного модуля ГМ. Аналогичная дискриминация возможна здесь и по алюмокремни-евому модулю АМ (сами авторы использовали величину Б1/А1). Высокоглиноземистые туфы аттестуются как щелочные гипогидролизаты (ГМ 0.56—0.62), а кремнистые туфы — как миосилиты (ГМ

0.20—0.28). Аргиллиты, что нормально, оказываются сиаллитами, в данном случае щелочными. Однако тот факт, что на модульной диаграмме аргиллиты образуют как бы единую совокупность с туфами может означать, что аргиллиты в действительности содержат пирокластическую примесь. Интересно, что наибольшую щелочность имеют кремнистые туфы (Н1КМ 0.31—0.35), они же и более титанистые: ТМ = 0.045—0.061 против 0.046—0.053 в аргиллитах. При

В ЛАБНРИНТАК ЛНТОКНМНН*

Я. Э. Юдович, М. П. Кетрис

Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар yudovich@geo.komisc.ru

* Доклад «Литохимия: метод изучения осадочных пород и их аналогов», прочитанный на пленарном заседании XIX Международной научной конференции (школы) по морской геологии. Москва, Ин-т океанологии им. П. П. Ширшова РАН.

этом минимальную титанистость (ТМ = 0.021) показывает состав обр. 4 с наивысшей общей щелочностью и глиноземистостью. Очевидно, что эта существенно гидрослюдистая порода сформировалась по наиболее кислому туфу. Вне кластеров располагается также обр. 3, он имеет промежуточный состав и, вероятно, может быть отнесен к туфоаргиллитам.

Иногда (в случае молодых отложений) с помощью литохимии удается даже отличить породы существенно вулканокластические (холодный вулканитовый материал) от пород существенно пирокластических (горячая тефра), что можно видеть на примере верхнего мела Малых Курил (рис. 6).

Вследствие обилия магнезиальных пород для кластеризации здесь наиболее удобна модульная диаграмма (№20 + К20)-ФМ, где хорошо обособляются три-четыре кластера. Можно выделить, с одной стороны, относительно малощелочные породы кластеров I, III и, с другой, явную серию пород нарастающей щелочности и убывающей фемично-сти: кластеры II^ IV. По-видимому, первые (псевдогидролизаты) пред-

ставляют собой в основном вулкано-миктовые породы, а вторые — туф-фоиды (сиаллиты, вплоть до алкали-тов). Высокофемичный состав обр. 9 отличается наибольшей магнезиаль-ностью и, вероятно, отвечает породе с примесью оливин-базальтовой кла-стики. Обр. 5 отличается повышенной марганцовистостью. Отмечаем характерный признак пирогенных пород: наличие позитивной корреляции фемичности и титанистости и негативной — фемичности и щелочности.

Особенно актуальна задача распознавания примеси пирокластики в отсутствие ее петрографических признаков (что характерно для пород, прошедших глубокий катагенез и тем более метаморфизм). В частности, в наших урало-пайхойских региональных работах на черносланцевом палеозое и метаморфическом докембрии был накоплен большой опыт такой диагностики. Из сотен обработанных нами выборок выдернем наудачу только одну, включающую тринадцать анализов туфов и четыре анализа аргиллитов ордовикского флиша Момского горст-антиклино-рия (рис. 7). Здесь осадочные породы

Рис. 6. Модульная диаграмма для верхнемеловых вулканогенно-терригенных пород малокурильской свиты Малых Курил.

Условные обозначения здесь и на рис. 5, 7, 9, 11: 1 — туффоиды, 2 — смешанные кластеры (туффоиды+осадочные породы). Составлено по данным В. К. Гаврилова и Н. А. Соловьевой,

1973 г. [11, с. 229]

(№20 + К20), %

Рис. 7. Модульная диаграмма для щелочно-базитовых туфов, туфопелитов, туфо-ритмитов и аргиллитов ордовикской флишевой вулканогенно-осадочной формации Арга-Тасской зоны Момского горст-антиклинория. Условные обозначения см. на рис. 6. Составлено по данным М. Д. Булгаковой, 1986 г. [14, с. 318]

(аргиллиты, кластер II) очень четко отделяются от щелочно-базальтовых туфов (кластерыI, III, IV): в аргиллитах гораздо ниже общая щелочность и фемичность.

Что касается самих пирокласти-тов, то в них четко выделяются псаммитовые основные туфы пироксе-новых трахибазальтов, которые аттестуются как псевдогидролизаты (кл. I), и более кислые туфы трахи-андезитобазальтов (кл. IV а). Два других кластера туфов и туфопелитов (III, IVb) оказываются смешанными; это указывает на их гетерогенность (о присутствии дополнительных разновидностей говорит и особый состав крупноалевритового туфа — обр. 5). Заметим также, что «аргиллиты» кл. II магнезиальны, они аттестуются как псевдосиаллиты. Скорее всего в них имеется пирокластическая примесь, и они должны трактоваться как туффоиды. На это же указывает и состав «аргиллита» обр. 13 (щелочной псевдосиаллит), очень близкий к полю трахиандезитобазальтовых туфов.

5. С помощью литохимии можно определить протолит метаморфи-тов. Эффективность такой диагностики по меньшей мере не хуже, чем с помощью широко известных методик А. Н. Неелова, А. А. Предовского и О. М. Розена8. Более того, вид модульных диаграмм иногда дает подсказку о проявлении процессов ал-лохимического метаморфизма (с привносом-выносом компонен-

тов) — этого «бича» всех методик диагностики протолита. Напомним, что именно из этой проблемы, которую разрабатывали О. М. Розен в Москве, А. Н. Неелов в Ленинграде и А. А. Предовский в Апатитах, пошла в рост литохимия в ее современном виде. И хотя указанными геоло-

гами сделано очень много, наш подход также оказался небесполезным.

Показателен пример верхнеархейского сланцевого пояса

Яванахалли (Индия). Здесь развита толща высококалиевых гнейсов-метааркозов, которые переслаиваются с эпидотовыми кварцитами и известково-силикатными гнейса-

ми. Однако среди наиболее вероятных материнских пород никаких высококалиевых пород в области сноса нет. Не подтверждается также идея о наложенном К-метасоматозе мета-аркозов, поскольку они трактуются как петрогенные породы — first cycle sediments. В итоге индийские геологи пришли к заключению, что высококалиевые аркозы являются продуктом древнего выветривания архейских тоналитов, причем в составе субстрата присутствовало также некоторое количество основных и даже ультраосновных пород.

Проверим и уточним эти выводы с помощью литохимии. На модульной диаграмме (рис. 8) удается отделить метааркозы и их «переходные» разновидности от более основных и менее щелочных пород.

Кластеры II—III представлены метааркозами с резко изменчивыми значениями НІКМ и TM. Мощная дисперсия TM от 0.001 (таких значений не бывает даже в кислых изверженных породах) до 0.057 (а это, наоборот, чересчур много для кислых пород) скорее всего указывает на

Рис. 8. Модульная диаграмма для верхнеархейских метаморфических пород пояса

Яванахалли (Индия).

1 —известково-силикатные гнейсы, 2 —метааркозы, 3 —эпидотовые кварциты. Составлено по данным С. Накви и др., 1980 г. [14, с. 365]

8Во всяком случае, как нам сообщил в декабре 2010 г. проф. В. И. Фельдман, на каф. петрографии МГУ давно и с успехом используют нашу литохимию для диагностики субстрата метаморфитов.

3 6

(МагО + К20), %

Рис. 9. Модульная диаграмма для слюдяных сланцев и гнейсов катархейского аме-дичинского комплекса на Алданском щите. Условные обозначения см. на рис. 6. Составлено по данным Л. М. Реутова, 1981 г. [14, с. 263]

смесь кислого и основного материалов. Примесь последнего могла быть не только терригенной, но и вулканогенной — в форме пирокластики. Образцы 11—14 представлены эпи-дотовыми кварцитами, т. е. породами менее щелочными, более титанистыми и железистыми. Обр. 13 отличается минимальной щелочностью, а обр. 11, напротив, близок по НКМ к метааркозам, а точнее, к их «переходным» разновидностям. Низкие содержания 1К20 при ощутимых содержаниях №20 подсказывают, что это могли быть какие-то граувакки, например андезитовые вулканокла-сты с примесью кварца. Кластер I включает магнезиальные породы, супер- и гипержелезистые. К ним тяготеет и железистый псевдогидролизат — обр. 16. Очевидно, что это ме-табазиты.

Итак, можно думать, что в позднеархейский бассейн седиментации поступал высококалиевый терри-генный материал из коры выветривания архейских тоналитов, формируя слои высококалиевых аркозов. Однако этому процессу скорее всего сопутствовал довольно мощный синхронный вулканизм (андезитовый и базальтовый), что определило значительную примесь основного материала в породах. В итоге получались смешанные породы типа «граувак-коаркозов» (или, может быть, «туфо-аркозов»), а периодически формировались покровы (или силлы?) базаль-тоидов. Заметим, что вся эта картина (включая и состав пород) удивительно напоминает ту, что мы наблюдали в среднерифейской (?) щекурьинской свите на Приполярном Урале [16].

Этот пример — один из трудных случаев диагностики. Однако низкокальциевые катархейские метамор-фиты гораздо легче поддаются интерпретации. Примером могут служить изучавшиеся Л. М. Реутовым гнейсы и сланцы амедичинско-го комплекса на Алданском щите, среди которых он выделил мета-алевропсаммиты, метатуфоалевро-лит и метатуфы. Эти генотипы прекрасно распознаются на модульной диаграмме (рис. 9), причем «мета-алевропсаммиты» (кластеры 1а, 1Ь) образуют единую серию с «метату-фоалевролитами» (кластер II), что позволяет предполагать и в них присутствие пирогенной примеси, а «метатуфы» (кластер III) резко выделяются по высокой общей щелочности. Аномальные составы обр. 4 (гранат-биотит-полевошпат-кварцевый сланец) и обр. 14 (гранат'-силлиманит-кварцевый гнейс) позволяют заподозрить в них метасоматиты.

6. Наконец с помощью литохимии геолог, как правило, получает нетривиальную «информацию к размышле-

нию» — такую, которую ему не дает стандартное литологическое описание. Чаще всего оказывается, что на первый взгляд однотипные осадочные породы (например, глинистые) в действительности обладают некоторыми особенностями химического состава, которые вынуждают сначала выделить в них литохимические разновидности (хемотипы), а потом — искать и находить литологическое обоснование такого выделения (пропущенное при стандартном литологическом описании).

Приводимый ниже пример на эту тему имеет прямо-таки анекдотический характер. Речь идет о породах южно-африканской свиты («формации») Силвертон, которые залегают в верхах надсерии («системы») Трансвааль [3]. В работе П. Эрикссона и др. (1990 г.) был приведен 31 анализ «глинистых пород» этой мощной толщи (названной авторами «архейской», но относящейся, по-видимому, к верхам карелия) и три средних состава. Взвешенное среднее, вычисленное для всей толщи, сравнивалось ими с различными другими средними для древних глинистых пород (и на основе такого сравнения делались далеко идущие выводы!).

Между тем на модульной диаграмме пород свиты (рис. 10) можно выделить не менее семи кластеров, что уже само по себе показывает крайнюю сомнительность каких-либо средних оценок для толщи в целом. А если добавить сюда индивидуальные составы (которые не удается упрятать в кластеры), то в итоге вме-

сто одного литотипа приходится выделять... около 20 хемотипов! В итоге литохимическое исследование показало, что под названием «глинистые породы формации Силвертон» на самом деле объединены весьма различные горные породы: (а) гидроли-затные образования — метаморф и-зованные КВ по кислому и среднему (?) субстратам; (б) небольшое количество нормальных глинистых сланцев, но больше алевросланцев, метаалевролитов и, по-видимому, ме-тапесчаников-граувакк с обильным глинистым матриксом (?); (в) бази-товые туффоиды, или же граувакки с литокластами основного состава.

Чего не может литохимия

Было бы безответственным шарлатанством заявлять о всемогуществе литохимических методов: как и любые другие методы, они также имеют свои ограничения. Например, в проблеме распознавания примеси пирокластики существуют три каверзные ситуации, когда литохимия пробуксовывает в силу объективных причин.

1. Пирокластика имеет андезито-вый или дацитовый состав. Такой материал, в отличие от базальтового, может не показывать повышенной тита-нистости и железистости, а в отличие от риолитового — не иметь и повышенной щелочности! Некоторой подсказкой может послужить лишь повышенное содержание некарбонатного (плагиоклазового) СаО.

Характерным примером являются нижнемеловые песчаники эксе-няхской свиты, вскрытые глубокой

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

'22

• 20 $ тт Ш

• 21 14 }

•V ( 23 *4 Л —

*"1Уа

. /ДЖ 7 ^ 1УЬ у Сз 1

ілппь

I 3

0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

(Ма20 + К20), %

Рис. 10. Модульная диаграмма для «глинистых пород» свиты Силвертон надсерии

Трансвааль, Ю. Африка.

1 —метагидролизаты, 2 —метаграувакки и/или метатуффоиды, 3 —метапесчаники, метаалевролиты и метапелиты. Составлено по данным П. Эрикссона и др., 1990 г. [14, с. 186]

скважиной Берге-1 (Якутия) на глубинах от 1459 до 2190 м. Как показала литохимическая обработка данных [14, с. 325—326], состав этих пород очень однообразен: все они аттестуются как щелочные миосилиты, несмотря на существенную дисперсию содержаний кремнезема: от 57.3 до 70.8 %. Дело в том, что колебания содержаний БЮ2 вызываются присутствием в таких породах существенной примеси карбоната. Якутская исследовательница Г. В. Ивенсен (1991 г.), располагая петрографическими данными, пришла к однозначному выводу о том, что в меловое время в бассейн седиментации поступала пиро-кластика именно кислого (близкого к дацитам) состава. Однако справедливости ради необходимо признать, что на основании только химических анализов решение альтернативы — петрогенные аркозы или пирогенные туффоиды — в данном случае невозможно. Причина неясности диагноза заключается как раз в том, что пиро-генный материал был не столько рио-литовым, сколько гораздо менее выразительным — дацитовым.

2. Пирокластика захороняет-ся в граувакковых флишевых толщах, которые мало отличаются от неё по своему химическому составу (например, песчаники представлены вулка-нокластическими граувакками).

3. Пирокластика подверглась сильному аллохимическому изменению в осадках, на исходные (или малоизме-ненные) туфы не сохранились.

Есть и другие ситуации, когда литохимия в одиночку не справляется с задачей диагноза. Однако никто ведь не обязывает исследователя пользоваться только приемами ли-тохимии; весьма эффективно сочетание литохимии с геохимией элементов-примесей. Например, при наличии спектров РЗЭ для рифейских ал-калитов (рис. 3) наш диагноз стал бы гораздо достовернее.

Заключение

Итак, литохимия вполне состоялась как самостоятельная область геохимии осадочных пород и их аналогов. Занятия литохимией сочетают в себе очень приятное (литохимическую аттестацию составов и построение на компьютере модульных диаграмм) с очень полезным (получением нетривиальной информации об изучаемых породах). О том, что многие геологи это уже поняли, можно судить по литературе. Например, наши коллеги из Москвы, Петербурга, Сыктывкара, Петрозаводска, Уфы, Казани, Екатеринбурга, Новосибирска, Иркутска, Якутска, Магадана, Минска и Киева давно и с успехом применяют методы литохимии в своей работе.

Необходимым условием применения литохимических методов является массовость силикатных анализов. Если в 1960-е гг. в Геологическом ин-те АН СССР (Москва) даже старший научный сотрудник мог рассчитывать не более чем на 10 таких ана-

лизов в год, то теперь широкое внедрение квантометров и энергодисперсионных спектрометров сделало силикатные анализы достаточно дешевыми и общедоступными. В наши дни практически любой геолог может получать силикатные анализы «как при коммунизме» — по потребности. А это значит, что в ближайшие годы литохимия получит еще более широкое распространение. Можно надеяться, что она найдет свое место и в университетских курсах гео-химии9.

Литература

1. Заварицкий А. Н. Изверженные горные породы. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 479 с. 2. Литохимия в действии: Материалы Второй Всероссийской школы по литохимии. Сыктывкар: Геопринт, 2006. 162 с. 3. Салоп Л. И. Геологическое развитие Земли в докембрии. Л.: Недра, 1982. 343 с. 4. Систематика и классификация осадочных пород и их аналогов / В. Н. Шванов, В. Т. Фролов, Э. И. Сергеева и др. СПб.: Недра, 1998. 352 с. 5. Тейлор С. Р., Мак-Леннан С. М. Континентальная кора. Ее состав и эволюция. М.: Мир, 1988. 376 с. 6. Фролов

B. Т. К вопросу о классификации осадочных пород // Вестник МГУ. Геология, 1987. № 1. С. 26—36. 7. Фролов В. Т. Литология. Кн. 1. М.: МГУ, 1992. 336 с. 8. Юдович Я. Э. Индикаторное значение отношения Мп/Бе в осадочных породах // Докл. РАН, 2000. Т. 375, № 2.

C. 233—234. 9. Юдович Я. Э. Курс геохимии осадочных пород. Избранные главы: Учебное пособие. Сыктывкар: СыктГУ, 2001. 284 с. 10. Юдович Я. Э. Эти чер-ные-нечерные сланцы // Природа, 1994. № 1. С. 16—27. 11. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Геохимические и минералогические индикаторы вулканогенных продуктов в осадочных толщах. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. 412 с. 12. Юдович Я. Э, Кетрис М. П. Геохимия черных сланцев. Л.: Наука, 1988. 272 с. 13. Юдович Я .Э, Кетрис М. П. Новое в геохимии литогенеза // Уральский геол. журн., 2011. № 3 (81). С. 47—85. 14. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Основы литохимии. СПб.: Наука, 2000. 479 с. 15. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Химическая классификация осадочных горных пород. Сыктывкар, 1986. 34 с. (Научные доклады / Коми фил. АН СССР. Вып. 148). 16. Юдович Я. Э., Кетрис М. П., Мерц А. В., Ефанова Л. И., Шулепова А. Н. Литохимия древних толщ на Приполярном Урале // Геохимия древних толщ севера Урала / Отв. ред. академик Н. П. Юшкин, ред. сост. Я. Э. Юдович и М. П. Кетрис. Сыктывкар: Геопринт, 2002. С. 7—49.

Рецензент д. г.-м. н. Ю. А. Ткачёв

9На кафедре геологии Сыктывкарского университета студенты 4-го курса уже с 2000 г. знакомились с основами литохимии в рамках спецкурса «Геохимия осадочных пород. Избранные главы» [9].