Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Углеродистые толщи верхней юры и нижнего мела Русской плиты: общие геологические сведения 15
1.1. Волжская сланценосная толща (верхняя юра, зона Panderi) 15
Общая характеристика верхнеюрских отложений 15
Стратиграфическое положение и распространение обогащенных ОВ отложений 17
История изучения волжской сланценосной толщи 22
1.2. Аптский битуминозный горизонт 24
Общая характеристика нижнемеловых отложений 24
Стратиграфическое положение и распространение обогащенных ОВ отложений 27
История изучения битуминозного горизонта 27
Глава 2. Седиментологнческая и литолого-геохимическая характеристика углеродистых толщ 28
2.1. Волжская сланценосная толща (верхняя юра, зона Panderi) 28
Строение сланценосной толщи и литолого-геохимическая характеристика отложений 32
Закономерности распределения глинистых минералов в сланценосных и вмещающих отложениях 96
Органическое вещество в породах сланценосной толщи 103
2.2. Аптский битуминозный горизонт 121
Строение битуминозного горизонта и литолого-геохимическая характеристика отложений 121
Органическое вещество аптских отложений 130
Глава 3. Химические элементы в углеродистых толщах 134
3.1. Химические элементы в отложениях волжской сланценосной толщи 135
Распределение химических элементов в верхнеюрских известково-глинистых отложениях («геохимический фон») 135
Распределение химических элементов в углеродистых сланцах 152
3.2. Химические элементы в отложениях аптского битуминозного горизонта 155
Распределение химических элементов в аптских отложениях, вмещающих битуминозный горизонт («геохимический фон») 155
Распределение химических элементов в битуминозных сланцах 161
3.3. Общие закономерности поведения химических элементов 163
3.4. Источники и механизмы концентрирования химических элементов в волжских и аптских углеродистых осадках 165
Глава 4. Обстановки формирования углеродистых отложений в мезозойских водоемах Русской плиты 169
4.1. Обстановки накопления органического вещества в средневолжском палеоводоеме 172
4.2. Обстановки накопления органического вещества в аптском палеоводоеме 175
Заключение 178
Литература 180
Приложения 194
- Стратиграфическое положение и распространение обогащенных ОВ отложений
- Органическое вещество в породах сланценосной толщи
- Распределение химических элементов в аптских отложениях, вмещающих битуминозный горизонт («геохимический фон»)
- Обстановки накопления органического вещества в средневолжском палеоводоеме
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обогащенные органическим веществом (ОВ) древние морские отложения вызывают повышенный интерес у исследователей, поскольку являются потенциальным источником нефтяных углеводородов и индикатором специфических палеогеографических условий, возникавших на обширных территориях палеобассейнов, не имеющих современных аналогов. В проблеме реконструкции обстановок формирования этих отложений остаются нерешенные вопросы. Центральное место в ней занимает вопрос о соотношении роли биопродуктивности водоемов [Страхов, 1937, 1976; Pedersen, Calvert, 1990, 1991 и др.] и аноксидных условий в водной толще [Demaison, Moore, 1980; 1991 и др.]. В связи с этим особую актуальность приобретает детальное исследование специфических седиментологических, литолого-геохимических и биотических параметров морских углеродистых отложений, возникает необходимость проведения сравнительного анализа разных по условиям образования объектов.
Объекты исследования. Верхнеюрский - нижнемеловой осадочный комплекс Русской плиты (РП) включает два интервала широкого распространения обогащенных ОВ отложений (рис. 1): средневолжский - толщу чередования слоев «горючих» сланцев и известково-глинистых пород и раннеаптский - горизонт «битуминозных» сланцев. Эти толщи разделены сравнительно небольшим промежутком времени, однако существенно различаются по строению, уровню содержания ОВ, литологи-ческим и биотическим характеристикам. Степень постседиментационных преобразований верхнеюрских и нижнемеловых отложений РП не превосходит начальных стадий раннего катагенеза, поэтому особенности углеродистых толщ отражают в основном картину, сложившуюся на стадиях осадконакопления и диагенеза.
Благоприятные для накопления ОВ морские обстановки в поздней юре и раннем мелу возникали в субглобальном (поздняя юра - начало раннего мела в Бореальном поясе) и глобальном (аптский «Selli level» или ОАЕ-1а) масштабах. Поэтому присущие средневолжской и нижнеаптской углеродистым толщам РП различия, возможно, отражают некоторую общую специфику позднеюрских и среднемеловых обстановок накопления ОВ.
Целью работы было выяснение общих закономерностей и специфических особенностей накопления ОВ в осадках волжского и аптского морских бассейнов Русской плиты, реконструкция обстановок формирования углеродистых отложений в контексте истории развития разновозрастных водоемов.
Для этого требовалось решить следующие задачи:
-изучить особенности «фоновой» седиментации в волжском и аптском морских водоемах РП и динамику накопления в них ОВ;
- определить происхождение ОВ петрографическими и пиролитическими методами;
-выявить признаки колебаний кислородного режима и оценить их влияние на накопление ОВ;
изучить распределение химических элементов в волжских и аптских отложениях, выяснить особенности их поведения в разных обстановках накопления ОВ;
реконструировать палеогеографические события, способствовавшие возникновению в волжском и аптском водоемах благоприятных для накопления ОВ обстановок.
Фактический материал и методика исследования. Работа основана на материале, собранном при изучении верхнеюрских и нижнемеловых отложений в ходе полевых работ (1996-2007 гг.), проводившихся в разных частях РП (в Ульяновской, Сыз-ранской, Саратовской, Костромской, Кировской областях и в Республике Коми) и при исследовании керна отдельных скважин (№№ 120 и 559, Саратовское Заволжье).
Исследования выполнялись по единой методике, основанной на детальном послойном расчленении разрезов, наиболее полно фиксирующем особенности стратификации осадочных толщ (в первую очередь, связанные с изменениями в содержании ОВ). Основное внимание уделялось седиментационным текстурам и характеру био-турбации; петрографическим и пиролитическим параметрам ОВ, ассоциациям глинистых минералов - индикаторам возможных климатических флуктуации; особенностям распределения химических элементов, в том числе редокс-чувствительных.
Для уточнения стратиграфического положения углеродистых толщ на обширной территории РП и выяснения возрастных соотношений с аналогичными отложениями других районов Мира использовались современные биостратиграфические данные (по аммонитам, известковому наннопланктону, фораминиферам).
Химические анализы выполнялись в Лаборатории химико-аналитических исследований ГИН РАН (Сорг, СО2, Fe, Мп, Ті, Р, S определялись химическими методами, остальные элементы - эмиссионным спектральным методом (спектрометр PGS-1) и РФ А). Пиролитические исследования проводились на приборах Rock-Eval II в ГЕОХИ РАН и ИГиРГИ. Рентгено-дифрактометрическая диагностика минералов выполнялась в Лаборатории физических методов изучения породообразующих минералов ГИН РАН.
Защищаемые положения:
1. В мезозойских осадочных толщах Русской плиты выделяется два уровня отложений, интенсивно обогащенных ОВ - средневолжский (зона Panderi) и нижне-аптский (зона Volgensis). Они являются региональным проявлением обстановок накопления углеродистых осадков, имевших субглобальное (поздняя юра - начало раннего мела в Бореальном поясе) и глобальное (аптский «Selli level» или ОАЕ-1а) распространение. Структура углеродистых толщ различна. В средневолжское время накопление ОВ характеризовалось импульсностью, вследствие чего образовалась сланценосная толща с отчетливой циклической структурой. Элементарные осадочные циклиты (до 1 м) характеризуются контрастным распределением Сорг и СаСОз. В раннем апте ОВ накапливалось в морских осадках более равномерно, что привело к образованию относительно монотонного горизонта битуминозных сланцев.
На основе пиролитических и микроскопических исследований показано, что и в средневолжских, и в раннеаптских углеродистых осадках накапливалось автохтонное морское ОВ, основным источником которого служила биомасса примитивных морских водорослей. Кероген средневолжских углеродистых сланцев (I-II тип) содержит незначительное количество органики наземного происхождения; в керогене нижнеаптских углеродистых сланцев (II тип) вклад наземного ОВ более значителен. Углеродистые сланцы обоих интервалов обогащены близким спектром химических элементов, которые по степени концентрации распределяются на две группы: 1) Mo, S, Se превышают кларковые значения в 10 раз и более; 2) V, Ag, Си, Р, Ni, Со, Zn - в 2-5 раз.
По комплексу седиментологических, биотических и геохимических параметров установлено, что а) в центральной части раннеаптского морского бассейна во время накопления углеродистых осадков существовала стабильная аноксидная обстановка; б) в депрессиях средневолжского водоема, где накапливались углеродистые осадки, аноксидные обстановки были неустойчивы и часто прерывались как кратковременными, так и более продолжительными (первые десятки тыс. лет) периодами нормализации кислородного режима.
Формирование углеродистых толщ происходило в разных по типу седиментации бассейнах: средне-позднеюрском с карбонатно-терригенным и в среднемеловом с терригенным осадконакоплением. Обе толщи формировались на фоне колебаний уровня моря разного порядка, влиявших на седиментологические и геохимические параметры отложений. Рост содержания органического вещества в обоих случаях был обусловлен резким ростом продуктивности органикостенно-го планктона. Причиной этого роста было усиленное поступление в водоем биофильных элементов с суши в ходе быстро развивавшихся трансгрессий.
Научная новизна. Впервые выполнено целенаправленное исследование мезозойских морских углеродистых толщ Русской плиты, которые рассматриваются как индикаторы специфических палеогеографических обстановок субглобального и глобального распространения. Проведено детальное литолого-геохимическое изучение средневолжской и раннеаптской углеродистых толщ на обширной территории их современного развития. Значительная часть изученных разрезов верхнеюрских и нижнемеловых отложений описана и проинтерпретирована впервые. Получены крупные массивы данных о концентрациях Сорг, СаСОз и широкого спектра химических элементов, изучены закономерности их распределения в контрастных по содержанию ОВ верхнеюрских и нижнемеловых отложениях. Проведен сравнительный анализ углеродистых толщ по комплексу ключевых седиментологических параметров, выявлены общие и специфические закономерности накопления ОВ в разновозрастных бассейнах Русской плиты. Предложен механизм формирования обогащенных ОВ волжских и аптских отложений, рассмотрены особенности его реализации в разных палеогеографических условиях.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные в работе данные могут быть использованы при построении общих моделей образования морских углеродистых отложений; при региональных геолого-съемочных и специальных литолого-геохимических исследованиях, в новых разработках по использованию сланцев в качестве источника углеводородного сырья; данные по содержанию в изученных отложениях различных (в т.ч. токсичных) химических элементов следует учитывать при различных экологических экспертизах. Результаты работы могут использоваться в курсах лекций для студентов и аспирантов ВУЗов.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Основные положения докладывались на конференции «Проблемные вопросы региональной и местной стратиграфии фанерозоя Поволжья и Прикаспия» (Саратов, 2001), Геологическом съезде Республики Коми (Сыктывкар, 2004), Всероссийских литологических совещаниях (2003, 2008), научной сессии «Палеонтология, биостратиграфия, и палеобиогеография бореального мезозоя», посвященной 95-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР В.Н. Сакса (Новосибирск, 2006); Всероссийских совещаниях «Юрская система России: проблемы стратиграфии и палеогеографии» (2005; 2009); на ассамблеях EGU (2003, 2008); на Международном конгрессе по юрской системе (Китай, Шехонг, 2010); на заседаниях Лаборатории седи-ментологии и геохимии осадочных бассейнов и ежегодных научных конкурсных сессиях ГИН РАН.
Исследования по теме диссертации были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты №№ 03-05-64840; 06-05-65282; 09-05-00872).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 192 страницах; состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (174 наименования); включает 56 рисунков и 6 таблиц, 2 приложения).
Стратиграфическое положение и распространение обогащенных ОВ отложений
Специфической особенностью верхнеюрских толщ является широкое распространение в них обогащенных ОВ отложений (рис. 1.2). В настоящее время в «классических» разрезах центральных районов России установлено много маломощных (0,1-0,5 м) углеродистых горизонтов локального распространения: верхнеоксфордский [Месежников, 1976; Бушнев и др., 2005]; нижнекимериджский [Hantzpergue et al., 1998], верхнекимериджский (собственные данные), нижневолжский [Дзюба и др., 2005], берриасский [Брадучан и др., 1987; Hantzpergue et al., 1998 и др.]. Но среди них волжская сланценосная толща занимает особое положение, будучи наиболее мощной и распространенной на огромной территории.
Обогащенные ОВ средневолжские отложения (горючие сланцы) распространены на востоке Русской плиты (рис. 1.3). В ее южной части углеродистые сланцы протягиваются непрерывной полосой из междуречья Волги и Урала в Среднее Поволжье (Североприкаспийский, Общесыртовский и Средневолжский сланценосные р-ны). Они накапливались на территории Прикаспийского и Ульяновско-Саратовского прогибов, которые являлись стабильными депоцентрами морской седиментации в позднеюрское время. Южнее (Северный Каспий и Приаралье) сланцы замещаются низкоуглеродистыми отложениями - битуминозными доломитами и известняками [Манцурова, 2009; Пронин, 2009 и др.]. В северной половине РП волжские сланценосные отложения установлены в Костромской-обл. (Мантуровский сланценосный р-н), на юге Республики Коми (Сысольский и Яренгский сланценосные районы) и в Кировской обл. (Волго-Вятский сланценосный район). В палеотектоническом отношении они. распространены на территории"Московско-Мезенской синеклизы, в поздней юре характеризовавшейся малыми аплитудами- прогибания [Хаин, 1988 и др.]. Севернее волжские углеродистые отложения установлены в Печорской синеклизе [Горючие сланцы..., 1989 и др.], широко развиты в Баренцевом и Норвежском морях [Гавшин, Захаров 1991; Langrock et al., 2001; 2003 и др.].
Первоначально стратиграфический интервал, представленный чередованием глин и горючих сланцев, был отнесен к аммонитовой зоне Perisphinctes panderi [Розанов, 1913; 1919] нижнего волжского яруса — одного из двух ярусов «волжской формации», выделенной С.Н.Никитиным [Никитин, 1881; 1884, 1885] (табл. 2). Дальнейшее уточнение биостратиграфии верхнеюрских отложений [Иловайский, Флоренский, 1941; Сазонов, 1953, 1957; 1961; Михайлов 1957; 1962, 1966; Герасимов. Михайлов, 1966 и др.] привело к выделению волжского яруса в современном его понимании, как соответствующего единому этапу развития фауны аммонитов, и подразделению его на три подъяруса - нижний, средними верхний. Всвязи с широким распространением аммонитов семейства Dorsoplanitina в средневолжских отложениях-европейской-части СССР, Урала и Сибири [Михайлов, 1957; 1962, 1966] зона Perisphinctes panderi получила свое современное название Dorsoplanites panderi (зона Panderi) и была помещена в основание средневолжского подъяруса (см. табл. 2).
В настоящее время существуют определенные проблемы, связанные с отсутствием единого яруса для конца поздней юры территории северной Евразии. Это обусловлено исторически - первоначальным выделением титонского, портландского и волжского ярусов для разных частей Европы и объективно - вследствие провинциального эндемизма морской фауны (аммонитов) в этот период. Для преодоления этой проблемы зональная аммонитовая шкала юрской системы, разработанная для территории РП [Зональная стратиграфия.... 1991], претерпела значительные изменения. Решением МСК (1997) волжский ярус было рекомендовано исключить из Общей юрской шкалы и рассматривать в качестве региояруса Бореальной палеогеографической области в составе единого титонского яруса. Для верхнего подъяруса волжского яруса наиболее вероятным был признан посттитонский — раннемеловой (берриасский) возраст. Однако эти предложения до сих пор не встретили безоговорочной поддержки многих ведущих специалистов, работающих с юрскими отложениями [Захаров, 2003; Захаров, Рогов, 2008 и др.].
В последние годы детальные биостратиграфические исследования верхнеюрских отложений. РП проводились М.А.Роговым [Рогов, 2002; 2004, 2005], которым была предложена уточненная биостратиграфическая, схема для волжского- яруса, существенно детализированная за счет введения в стандартные аммонитовые зоны, выделенные на основании филогенетического развития эндемичных родов аммонитов бореального происхождения, целого ряда фаунистических горизонтов, фиксирующих интервалы распространения тетических и субтетических (западноевропейских) аммонитов, что в перспективе позволяет более или менее надежно коррелировать волжский ярус РП с титоном. В частности [Рогов, 2004], зона Panderi была подразделена на 2 подзоны и 4 фаунистических горизонта по фауне субтетических аммонитов Zaraiskites (снизу вверх) Zaraiskites quenstedti, Zaraiskites scythicus, Zaraiskites regularis, Zaraiskites zarajskensis. В результате корреляции по зарайскитесам, которые в польских разрезах встречаются совместно с тетическими аммонитами, было установлено, что зона Panderi средневолжского яруса может бьпъ сопоставлена с большей частью верхнего титона. Поскольку территория РП в поздней юре принадлежала Бореальному поясу, для которого широкое распространение углеродистых толщ волжского возраста было весьма характерным (такие толщи практически отсутствовали в титоне Тетиса), а также для удобства изложения мы сочли возможным в настоящей работе сохранить наименования «волжский ярус», «нижний, средний и верхний подъярусы волжского яруса» и «аммонитовая зона (подзона, фаунистический горизонт) волжского яруса» предыдущей биостратиграфической схемы [Зональная стратиграфия.... 1991 ].
Органическое вещество в породах сланценосной толщи
Породы, слагающие сланценосную толщу, и вмещающие верхнеюрские отложения исследовались геохимическими, петрографическими и пиролитическими методами.
Геохимические исследования (см. Приложение 1) показали, что концентрации Сорг в породах сланценосной толщи широко варьируют, образуя, практически непрерывный ряд величин от десятых долей % до первых десятков %. По уровню концентраций Сорг породы толщи подразделяются на известково-глинистые отложения (менее 1 до 3,5 % Сорг) и углеродистые сланцы (10-35 % Сорг). Кроме того, в составе толщи также присутствуют глинистые породы, существенно обогащенные ОВ (до 3,5-7-9% Сорг)- Повышенное содержание в них ОВ устанавливается уже при макроскопических наблюдениях по коричневому оттенку окраски. Эти очень разные по гранулометрическим и текстурными особенностям глинистые породы «переходного» типа между собственно глинами и углеродистыми сланцами часто объединяются в т.н. керогеновые глины [Горючие сланцы..., 1989; Чирва и др., 1988; Лыюров, 1996] а также сапропелевые глины или убогие горючие сланцы [Явхута, 1973; Букина, 1988]. Такие породы распространены в составе сланценосной толщи, развитой в юго-восточной (Саратовское Заволжье) и северной (Сысольская впадина) частях РП, то есть там, где толща слабо нарушена перерывами и ее мощности (до нескольких десятков м) более или менее значительны.
Известково-глинистые отложения подразделяются на светло-серые глинистые породы, с незначительным содержанием ОВ ( 1-2 % Сорг) и темно-серые, в которых содержание ОВ повышено (1,5-3,5 % Сорг).
Светло-серые известково-глинистые породы наиболее высоко обогащены остатками известкового наннопланктона и обычно нацело гомогенизированы при биотурбации.
Темно-серые глинистые породы характеризуются переменным содержанием биогенных карбонатных остатков и в разной степени известковистые (в т.ч бескарбонатные), часто они заметно обогащены кварц-глауконитовым алевритовым материалом. Эти породы, как правило, менее интенсивно биотурбированы по сравнению со светло-серыми разностями, в них часто сохраняются реликты седиментогенной горизонтальной текстуры.
Среди углеродистых сланцев, в свою очередь, выделяются относительно низкоуглеродистые разности со сравнительно невысоким содержанием Сорг (9-10-17-19 %), и высокоуглеродистые сланцы - до 20-35 % Сорг (наиболее часто 20-27 %)
Низкоуглеродистые сланцы - темно-серые с более или менее ясно выраженным коричневым оттенком, с неравномерно проявляющейся в них горизонтальной текстурой (плитчатой или листоватой отдельностью), нарушенной следами биотурбации; как правило, известковистые (в разной степени обогащены остатками известкового наннопланктона), в них более или менее равномерно рассеян известковый раковинный детрит, прослоями они обогащены целыми раковинами различных моллюсков (прежде всего бентосных).
Высокоуглеродистые сланцы - темно-коричневые и бурые (в свежем состоянии они более-светлые коричневые), характеризуются ясно выраженной горизонтальной текстурой»(тонкоплитчатые или листоватые), в них, как правило, отсутствуют следы- биотурбации, остатки бентосной фауны редкие и мелкие (вплоть до полного их отсутствия).
Наиболее широко в составе сланценосной толщи представлены сланцы с относительно невысоким содержанием Сорг. Высокоуглеродистые сланцы встречаются реже и обычно залегают внутри пластов, сложенных сланцами первого типа (низкоуглеродистыми) и только в единичных случаях прослеживаются в виде более или менее значительных по своей мощности отдельных пластов.
Подстилающие сланценосную толщу глинистые породы - нижнекимериджские (Костромская обл., разрез Ивкино), верхнекимериджские, нижне- и средневолжские (Среднее Поволжье, разрез Городище) по литологическим особенностям и уровню концентрации Сорг близки известковым глинам, присутствующим в составе сланценосной толщи.
Перекрывающие породы в большинстве изученных районов отличаются грубым гранулометрическим составом и практически не содержат ОВ.
При петрографических исследованиях основными задачами были: а) характеристика ОВ и его компонентов по унифицированной системе, б) выявление закономерных связей между морфологическими особенностями ОВ и его происхождением.
Наиболее обстоятельная петрографическая классификация, учитывающая такие параметры ОВ, как цвет, морфология обособлений, внутренняя структура (в первую очередь, степень сохранности и особенности первоначальной биогенной структуры), характер взаимоотношений с минеральной основой породы, в нашей стране была разработана А.И Гинзбург [1991]. Сравнительный анализ отечественной и современных зарубежных петрографических классификаций [Тайсон, 1995; Langrock, 2003] свидетельствует о сходстве признаков, положенных в основу выделения основных компонентов (мацералов) ОВ.
Петрографические исследования показали, что ОВ в изученных верхнеюрских отложениях присутствует в различных формах.
В углеродистых сланцах существенно преобладает бесструктурное ОВї (до 90-99%ОВ), соответствующее коллоальгиниту (по терминологии А.И.Гинзбург [1991]). Коллоальгинит окрашен в различные оттенки желтого, оранжевого и светло-бурого цветов и обособляется в глинистом матриксе в виде тонких слойков или уплощенных линзочек длиной от сотых долей мм до нескольких мм, располагающихся параллельно напластованию. Рост концентраций Сорг в сланцах, как правило, коррелируется с увеличением- количества и размерности коллоальгинитовых сгустков.
Для высокоуглеродистых разностей сланцев характерны крупный размер коллоальгинитовных выделений и их многочисленность. В отдельных случаях коллоальгинит, присутствует виде сплошной массы, практически полностью скрывающей минеральный матрикс (обр. 11-40, разрез Городище). Такие сланцы (27-35 % Сорг ) установлены в разрезе Городище (обр. 11-40) и в Саратовском Заволжье (обр. 6-16, 6-18).
В прозрачных шлифах при больших увеличениях видно, что глинистый матрикс углеродистых сланцев бывает, в свою очередь, более или менее равномерно пропитан бесструктурным ОВ, по облику напоминающим коллоальгинит, но тонко дисперсным. Подобные агрегаты «глинистое вещество + ОВ», в котором глинистая составляющая существенно преобладает, согласно [Гинзбург, 1991], относятся к «сорбомикстиниту». Сорбомикстинит в сланцах, видимо, имеет то же происхождение, что и коллоальгинит, однако может несколько отличаться от него по составу. Увеличение доли- сорбомикстинита по отношению к коллоальгиниту особенно заметно в относительно низкоуглеродистых (известковистых и глинистых) разностях сланцев.
Для сланцев со сравнительно- невысокими концентрациями Сорг, характерны мелкие выделения коллоальгинита, их неравномерное распределение в известково-глинистом матриксе; в сланцах этого типа содержание сорбомикстинита сопоставимо с количеством коллоальгинита. Известковистые разности таких сланцев распространены в нижней части разрезов Городище и Ивкино; в отдельных циклитах разреза Важью.
В некоторых разностях углеродистых сланцев помимо коллоальгинита в заметном количестве (не менее 10 % ОВ) присутствуют биоморфные образования- в виде тонких (десятые доли мм) отчетливо ограниченных желтых пленок или сплющенных колечек, обычно смятых или надорванных, не поддающихся таксономическим определениям. Подобные компоненты ОВ относятся к т.н. «ламальгиниту» [Tyson, 1995;. Langrock, 2003 и др.] и представляют собой фрагменты тонкостенных одноклеточных водорослей, подвергшихся существенным механическим деформациям в процессе уплотнения породы. Присутствие таких остатков, богатых липидами, оказывает заметное влияние на пиролитические параметры ОВ.
Распределение химических элементов в аптских отложениях, вмещающих битуминозный горизонт («геохимический фон»)
Нижнеаптские глинистые отложения, вмещающие битуминозный горизонт, были изучены в разрезе у г. Ульяновска, в Сенгилее и Федоровском створе. В разрезе Гуселка изучались глины, фациально замещающие толщу битуминозных сланцев по мере приближения к палеоберегу раннеаптского морского водоема.
По уровню содержания Сорг (0,99-3,6 %) аптские глинистые породы, вмещающие битуминозный горизонт, близки верхнекимериджским и волжским глинистым породам, вмещающим углеродистые сланцы, однако в отличие от последних, практически бескарбонатны (0,57-4,54 % СаС03). Они также отличаются постоянным присутствием в них заметного количества примеси наземного ОВ в виде мелкого обуглившегося наземного фитодетрита.
Концентрации таких элементов, как Fe, Ті, Cr, V, Zn, Pb в аптских глинистых отложениях (рис. 3.13, 3.14) близки среднему уровню содержания, этих элементов в глинистых породах по [Turekian, Wedepohl, 1961; Wedepohl» 1991]. Таким образом, геохимический «фон» в отношении Fe, Ті, Gr, V и Pb в исследованных разновозрастных бассейнах РП был практически одинаковым. Заметно более пассивным в аптском водоеме было поведение Zn, в то время как в верхнеюрских отложениях, как было показано, концентрации этого элемента, часто бывают повышены (Костромская область, Сысольский слаценосный р-н). Наиболее высокие концентрации Zn, в верхнеюрских породах связаны, в основном, с наиболее высококарбонатньгми разновидностями, однако обстановки накопления подобных осадков в аптском палеоводоеме отсутствовали.
Концентрации Ni, Со, Ag (рис. 3.15) в нижнеаптских глинах, в среднем, являются близкими кларковому уровню этих элементов в глинистых породах по [Turekian, Wedepohl, 1961; Wedepohl, 1991], но характеризуются довольно значительными колебаниями: встречаются как несколько пониженные (в 2 раза), так и несколько повьшіенньїе (в 1,5-2 раза) значения относительно среднего содержания этих элементов в глинистых породах по Turekian; Wedepohl, 1961; Wedepohl, 1991]. В верхнеюрских глинистых породах для этой группы химических элементов, наиболее тесно связанной (также как и Zn) с накоплением биогенного карбонатного материла, характерны заметно более высокие концентрации.
Концентрацииj Мп в- аптских глинах, вмещающих битуминозный горизонт, как правило, заметно- более низкие по- сравнению с кларковьш уровнем этого элемента в глинистых породах по [Turekian, Wedepohl, 1961; Wedepohl, 1991]. Возможно, что это обстоятельство, по крайней мере отчасти, могло быть обусловлено перераспределением Мп, в диагенетических процессах, так как довольно высокие концентрации Мп, установлены в карбонатных конкрециях, присутствующих на разных уровнях в глинистой толще. В некоторых районах распространения Мп на отдельных уровнях бывают несколько повышены (в 1,5-2 раза) и непосредственно в аптских глинистых отложениях
Сходный характер поведения в аптских глинистых породах устанавливается для As. Концентрации этого элемента в аптских глинах, вмещающих битуминозный горизонт, в большинстве изученных образцов, заметно более низкие по сравнению со средним содержанием этого элемента в глинистых породах. В то же время в. пиритовых конкрециях, о которых уже упоминалось, концентрации As бывают повышены в 5-10 раз относительно содержания этого элемента в глинистых породах, вмещающих эти конкреции. Возможно, что первоначальная картина распределения- этого элемента в осадках аптского водоема была несколько иная.
Для S, Se и Си в аптских глинистых породах характерно крайне неоднородное распределение. Концентрации этих элементов, как правило, несколько, повышены относительно кларкового уровня, причем наиболее, высокая степень обогащение глинистых пород этими элементами наблюдается в пределах узких интервалов, граничащих с битуминозным горизонтом. Наиболее заметно это в разрезе у г. Ульяновска (рис), где вскрывается значительный по мощности непрерывный интервал аптских отложений. Сходные особенности в распределении S, Se и Си прослеживаются и в других районах, где изучался битуминозный горизонт. Так в разрезе у г. Сенгилей (см. рис. 3.13.) глинистые породы, непосредственно перекрывающие битуминозный горизонт, заметно обогащены не только S, Se и Си, но также и Ni. В1 разрезе Федоровский створ (см. рис. 3.14) - S, Se, Си, а также Ag. Наиболее вероятно, накопление этих химических элементов, следует связывать с процессами диагенетического перераспределения элементов между геохимически контрастными битуминозными и фоновыми глинистыми осадками. Нельзя исключить также и возникновения в глинистых осадках локальных очагов концентрирования химических элементов в связи с биотурбациеи, так как в них часто отмечается присутствие значительного количества аутогенного пирита, развитого по ходам илоедов.
Концентрации P в нижнеаптских глинах, в основном, низкие (почти в 2 раза ниже среднего содержания этого элемента в глинистых породах. Фосфоритовые стяжения в изученных нами нижнеаптских отложениях отсутствуют. Такое поведение фосфора в аптских глинах существенно» отличается от его поведения в верхнеюрских глинистых отложениях, где концентрации этого элемента часто бывают повышены и широкое распространение имеют фосфоритовые стяжения. Возможно, что это обстоятельство, наряду с отсутствием заметного количества примеси биогенного карбонатного материала в нижнеаптских отложениях является следствием олиготрофности аптского палеоводоема, низкого уровня его биопродуктивности.
Таким образом, из изложенного выше можно заключить, что для аптских глинистых отложений (геохимического «фона») характерны следующие черты:
1) Концентрации подавляющего большинства изученных нами химических элементов - Fe, Ті, Cr, V, Zn, Pb, а также Mo, Ag, Ni, Co - в нижнеаптских глинистых породах, в основном, соответствуют кларковому уровню (т.е. близки среднему содержанию этих элементов в глинистых породах по [Turekian, Wedepohl, 1961; Wedepohl, 1991]. Содержание элементов последней группы (Ni, Со Ag, Mo) в них более заметно колеблется; однако не достигает таких высоких значений, которые характерны для концентраций этих элементов во вмещающих горючие сланцы верхнеюрских глинистых породах.
3) Концентрирование S, Se и Си этих элементов имеет локальный характер и происходит, как правило, на контакте с битуминозным горизонтом, сходная тенденция к концентрированию в некоторых районах его развития (Сенгилей, Федоровский створ) проявляется также и у таких элементов; как Ni и Ag, содержание которых в нижнеаптских глинистых породах в основном! соответствует кларковому уровню для глинистых пород по [Turekian, Wedepohl, 1961; Wedepohl, 1991].
4) В отличие от верхнеюрских глинистых пород, Р не накапливался в нижнеаптских глинистых отложениях: концентрации, этого элемента заметно понижены относительно среднего содержания в глинистых породах; фосфоритовые стяжения отсутствуют;
5) Мп в нижнеаптских глинах, также как и в верхнеюрских известково-глинистых породах, не накапливался;
В отложениях, наиболее близко расположенных к палеоберегу (разрез Гуселка у г. Саратова), все элементы распределены более или менее равномерно по всей изученной толще аптских глинистых отложений. Концентрации элементов, в основном, находятся на уровне средних для глинистых пород [Turekian, Wedepohl, 1961; Wedepohl, 1991]; некоторое относительное понижение в ряде случаев связано с разбавляющим влиянием песчано-алевритового материала, обогащающего эти осадки.
Обстановки накопления органического вещества в средневолжском палеоводоеме
Структура верхнеюрских толщ в изученных разрезах свидетельствует о том, что общий тренд развития морских бассейнов кимериджско-волжского времени осложнялся регрессивно-трансгрессивными циклами по крайней мере трех разных порядков. Наиболее отчетливо выражены два регрессивных эпизода — перед накоплением сланценосной толщи и после ее образования, которые устанавливаются по перерывам или резким изменениям литологических и геохимических параметров отложений.
Регрессивные эпизоды более низкого порядка произошли во время формирования сланценосной толщи, разделив в целом единый этап ее образования на подэтапы, соответствующие отложений отдельных пачек (как правило, двух (разрез Городище, разрезы Сысольской впадины) реже - трех (разрез Ивкино). Они маркируются в разрезах заметными литологическими и биотическими изменениями, иногда подчеркиваются присутствием слоев известковых конкреций. Появление конкреций очевидно, связано со сравнительно небольшим размывом накопившихся отложений во время регрессивного эпизода и образованием конденсированных слоев с повышенным содержанием перемытого биогенного карбонатного материала, который- перераспределялся в диагенезе.
Наиболее мелкими элементами структуры \сланценосной толщи, являются элементарные седиментационные циклиты. Резкие контакты сланцевых слоев с подстилающими отложениями и, напротив,- их плавные переходы к верхним элементам циклитов позволяют предполагать, что образование циклитов начиналось с трансгрессивных эпизодов, а заканчивалось падением уровня моря и небольшим размывом накопившихся осадков-(в кровле циклитов). Амплитуда флуктуации уровня моря в этих случаях, очевидно, не превышала нескольких метров. На разных стадиях формирования седиментационных циклов доминировали различные формы микропланктона - вначале органикостенные, в дальнейшем известьвыделяющие (наннопланктон, фораминиферы и т.д.). Многократное повторение такого сценария изменения режима биогенной седиментации привело к образованию циклически построенной сланценосной толщи.
Отметим, что во время накопления верхних элементов циклитов (глинисто-известковые отложения) в осадки поступало ОВ разного происхождения. Однако, захоронявшееся с известковым микропланктоном ОВ было неустойчивым, принимало активное участие в диагенетических процессах и в осадках почти не сохранялось. Напротив, растительное ОВ, поступавшее в это время в водоем в относительно небольших количествах с суши уже, вероятно, было в значительной степени окисленным, нереакционноспособным и» заборонялось в осадках без существенных потерь. Этим, видимо, объясняются весьма низкие значения, водородного индекса в глинисто-известковых отложениях
Появление в разрезе юрских отложений Русской плиты толщи волжских высокоуглеродистых пород, существенно отличающихся по литолого-геохимическим параметрам от смежных горизонтов, ставит вопрос о причинах резкого возрастания объемов накопления ОВ на определенном этапе развития бассейна.
Очевидно, при относительно высоком и стабильном стоянии уровня моря в «досланцевое» кимериджско-волжское время его малоамплитудные колебания слабо влияли на поставку биофильных элементов из прибрежных ландшафтов, что обусловило слабую дифференциацию между нижними и верхними элементами циклов, присутствующих в кимериджских отложениях. Палеогеографическая ситуация существенно изменилась после перерыва в осадконакоплении, вызванного падением уровня моря в конце кимериджа — начале волжского времени.
Это привело к тому, что в прибрежной зоне не занятой морем оказалась широкая полоса суши, на которой могли развиваться почвы, озерно-болотные ландшафты. Анализ геохимических обстановок в современных болотных системах позволяет заключить, что процесс торфообразования создает условия - для геохимической активности биологически важного фосфора, способствует его. миграции в зоне гипергенеза [Ковалев, 1985]. На существенную роль болот в поставке биофильных веществ в море и соответствующий рост продуктивности морских водорослей указывали ЛЛУЬВенгер и Д.Р. Бакер [Wenger, Baker, 1986] при обсуждении причин образования пенсильванских черных сланцев Канзаса и: Оклахомы.
Площадь освобожденных от моря территорий увеличивалась также за счет внутрибассейновых поднятий, которые во время регрессии обнажались (т.е. оказались не затопленными) и образовывали острова (группы островов), на которых возникали такие же ландшафты, что и на «основной суше». Рельеф в пределах этих ландшафтов был плоским, т.к. ранее был выровнен, выположен морской эрозией и осадконакоплением. Соответственно, даже небольшие по амплитуде колебания уровня моря, в частности его подъем, приводили к затоплению обширных низинных территорий, в результате чего в водоем быстро и в больших количествах происходил вынос соединений биофильных элементов, вызывавшие мощный всплеск биопродуктивности органикостенной микробиоты и накопление высокоуглеродистых осадков.
Помимо малоамплитудных колебаний, ответственных за формирование элементарных циклов, дважды заі период накопления сланценосной толщи происходило более масштабное падение уровня моря. Причем последующие поднятия уровня моря были по амплитуде меньше, чем уровень стояния моря, предшествовавший его падению. В результате осадки каждой последующей из трех пачек накапливались во все более мелководных условиях.
Такой сценарий накопления верхнеюрских отложений позволяет объяснить и некоторые геохимические особенности сланценосной толщи. В частности становится понятным рост содержания ОВ в сланцах вверх по разрезу сланценосной толщи, поскольку биопродуктивность водоема максимальна вблизи источников, биофильных элементов, каковой являлась суша, а бассейн постепенно мелел. Поскольку суша вообще была источником подавляющего большинства химических элементов, их наибольшие концентрации также тяготеют к приближенной к берегу зоне максимальной биопродуктивности. Последняя выступала в качестве своеобразного биофильтра, улавливавшего широкий спектр элементов. Поскольку источником элементов служила не только «основная суша», но и появившиеся на этой стадии развития бассейна острова, в водоеме было немало зон повышенной биопродуктивности. Причем вокруг относительно высоких поднятий, образовавших острова раньше других, углеродистые осадки также могли начать накапливаться раньше, чем в»других частях водоема, где острова появились позже. Это обстоятельство создавало определенную пестроту в распределении фаций, что затрудняет корреляцию разрезов. Как видим, колебания уровня моря разного порядка были мощным фактором, регулировавшим динамику осадконакопления и геохимические особенности отложений.
Как следует из анализа распространения биоты в литологически различных отложениях волжской сланценосной толщи палеоэкологическая обстановка в водоеме во время ее накопления была крайне нестабильной. Во время накопления глинисто-известковых отложений с низкими содержаниями ОВ преобладали условия, благоприятные для существования различных форм организмов, характерных для нормально аэрируемых морей. Напротив, при накоплении интенсивно обогащенных ОВ осадков условия обитания организмов резко ухудшалась. С этим связано преобладание ювенильных форм моллюсков в пластах углеродистых сланцев, резкое падение в них количества наннопланктона, других форм бентосных и планктонных организмов.
Напротив, при накоплении обогащенных ОВ осадков условия обитания организмов -. ухудшались. Резкий всплеск биопродуктивности органикостенного планктона (бактериопланктон, различные виды микроводорослей и др.) мог приводить к развитию в водоеме различных по негативному воздействию на биоту факторов. Отметим некоторые из них. Во-первых, к возникновению вводной толще аноксидных обстановок, в пользу чего говорят находки; [Бушнев; 2007] в средневолжских углеродистых; сланцев производных изорениератена - биомаркеров фотосинтезирующей водоросли рода СЫогоЫит;. обитающей в фотической зоне на границе с толщей воды с сероводородным заражением [Damste et al., 1993, 1995, Repeta, Simpson, 1991, Repeta et ah, 1993 и др.].
