Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Раннедокембрийские коры выветривания Карелии. Геологическое строение, химический состав и условия формирования

ВАК РФ 25.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Раннедокембрийские коры выветривания Карелии. Геологическое строение, химический состав и условия формирования"

На правах рукописи

Алфимова Надежда Аркадьевна

РАННЕДОКЕМБРИЙСКИЕ КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ КАРЕЛИИ

ч „

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, ХИМИЧЕСКИИ СОСТАВ И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 25 00 01 - общая и региональная геология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 003070266

2007

003070266

Работа выполнена в Институте геологии и геохронологии докембрия РАН Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук А Б Вревский

Официальные оппоненты доктор геолого-минералогических наук

В Н Подковыров ИГТД РАН (Санкт-Петербург) Доктор геолого-минералогических наук Н Е Козлов ГИ КНЦ РАН (Апатиты)

Ведущая организация Институт Геологии Карельского

научного центра РАН (Петрозаводск)

Защита состоится « 22 » мая 2007 г в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 002 047 01 в Институте геологии и геохронологии докембрия РАН по адресу 199034 Санкт-Петербург, наб Макарова д 2

Электронная почта апа@па 10581 5рЬ ес!и. аШтоуа@тЬох ги Факс (812)3284801

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геологии и геохронологии докембрия РАН

Автореферат разослан 20 апреля 2007г

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002 047 01 Кандидат геолого-минералогических

наук

Т П Щеглова

Актуальность темы

Уникальность геологической природы кор выветривания как единственных объектов, формирующихся на границе лито-, гидро- и атмосферы и несущих информацию об экзогенных процессах, обусловили широкий интерес геологов к их исследованию, начиная с первой половины XX века В ходе более чем векового изучения кор выветривания различного возраста был получен ряд фундаментально важных результатов, в том числе свидетельствующих о специфичности додевонских кор химического выветривания Большинство работ по докембрийским корам выветривания было выполнено в 60-70-хх годах прошлого столетия Последние крупные обзорные статьи российских исследователей на данную тему были опубликованы в 1980- 1990-х годах (Михайлов, 1986, Ронов, Мигдисов 1990)

Коры выветривания служат достоверными индикаторами континентальных обстановок литогенеза, а при отсутствии метаосадочных пород, что часто наблюдается в раннедокембрийских структурах, становятся единственными источниками информации об условиях, существовавших при континентальном литогенезе

Интерес к древним корам выветривания не угасает, и в последнее время стали появляться статьи зарубежных исследователей, посвященные докембрийскому гипергенезу По мере накопления геологических данных, совершенствования инструментальной базы изотопно-геохимических исследований и разработки методов численного моделирования геологических процессов, стало очевидно, что изучение докембрийских кор выветривания требует применения новых методических приемов исследования процесса гипергенеза

Цель работы

Реконструкция главных закономерностей континентального химического выветривания в раннем докембрии Карелии, на основе изучения геологического строения и вещественного состава кор выветривания

Задачи работы

- изучение геологического строения кор химического выветривания пород раннего докембрия Карелии, их петрографических, минералогических и геохимических особенностей,

- реконструкция первичных количественно-минеральных соотношений в породах субстрата и продуктах их выветривания,

- разработка методики изучения древнейших метаморфизованных гипергенных профилей,

- оценка степени химического разложения субстрата и состава гипергенных растворов на основе количественного моделирования

Фактический материал и методы исследования

В основу работы легли материалы полевых исследований автора и его коллег, собранные в период с 2000 по 2006 г на территории Карелии Исследования проводились в Паанаярвинской, Куолаярвинской, Кукасозерской, Хизоваарской, Онежской структурах, в 2 зонах Лехтинской синклинорной структуры, в Большезерской структуре и в Северном Приладожье Полевые исследования включали детальное геологическое картирование опорных участков и геохимическое опробование реперных объектов Важную часть исследований составляет анализ опубликованных материалов по гипергенным образованиям Карелии (ИГ КарНЦ РАН В Я Горьковец, М Б Раевская, К И Хейсканен, В И Коросов и др ), (ИГ КНЦ РАН Т Ф и В 3 Негруца) др авторов В ходе исследований было обработано около 250 петрографических шлифов, более 300 результатов оригинальных химических анализов пород и минералов, около 20 искусственных шлихов, отобранных по профилям выветривания Определение содержания элементов производилось с помощью ЭРФА и ЮР-МЭ Для количественной оценки степени химических изменений при континентальном выветривании разработана и опробована методика геохимического моделирования гипергенных преобразований гранитоидов

Научная новизна

На основе комплекса геологических, петрографических и геохимических данных обосновано двучленное строение полного профиля неоархейских и палеопротерозойских кор выветривания Карелии Показано, что присутствие высококалиевой и карбонатной зон в профилях раннедокембрийского континентального химического выветривания является первичным генетическим признаком их строения

Впервые для раннего докембрия Карелии реконструированы количественные соотношения породообразующих минералов в корах выветривания и обоснован преимущественно иллитовый первичный состав наиболее выветренных частей гипергенного профиля

Впервые на основе численного моделирования процессов гипергенеза рассчитан элементный состав гипергенных растворов и оценены физико-химические условия его образования

Практическая ценность

Результаты проведенных исследований значительно приближают исследователей к пониманию специфики литогенеза в раннем докембрии, позволяют реконструировать с принципиально новых позиций процессы перераспределения и накопления рудных

компонентов при гипергенезе и могут использоваться при прогнозных оценках территорий на железо, ванадий, кобальт, золото, уран

Полученные в ходе исследований геологические данные значительно расширяют возможность стратиграфического расчленения и корреляции супракрустальных разрезов раннего докембрия Балтийского щита

Осповпые защищаемые положения

1 В строении раннедокембрийских кор выветривания, развитых на территории Карелии, выделяются 2 зоны зона с высоким содержанием кальция и зона, обогащенная калием, что является первичной и специфической чертой их строения Зона с повышенным содержанием К2О представляет собой наиболее выветренную (глинистую) часть коры выветривания, а возникновение зоны, обогащенной СаО, связано с накоплением карбонатов в наиболее проницаемых зонах профиля

Такие профили образуются в раннем докембрии независимо от климатических условий как по гранитоидам, так и по породам основного состава

2 Вне зависимости от состава и степени химического преобразования пород субстрата главными новообразованными минералами остаточных кор выветривания раннего докембрия являлись глинистые минералы группы смектита и иллита В результате химических преобразований объем пород уменьшался на 65 - 95 % об

3 В раннем докембрии процессы преобразования пород в глинистой зоне профилей выветривания происходили при кислотности растворов 4 0-6 5 рН и в восстановительных условиях среды Раннедокембрийские гипергенные растворы отличались от водных растворов современных зон гипергенеза низкой концентрацией натрия, кальция, калия и магния и значительно более высоким содержанием железа

Апробация результатов

Результаты исследований были представтены на молодежных конференциях (молодежные конференции, посвященные памяти К О Кратца 2002 - 2006 гг, конференция «Современные проблемы геохимии», Иркутск 2004 г, конференция «Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента», Сыктывкар, 2005г), российских совещаниях («Геология и геодинамика архея», С-Петербург, 2005г) и международных конференциях (международная научная конференция «Глины и Глинистые минералы», Воронеж, 2004)

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, включающих 2 статьи в рецензируемых журналах

Благодарности Автор считает приятным долгом высказать благодарности людям, без участия которых выполнение данной работы было бы невозможно Прежде всего, это относится к коллективу работников геологического факультета СПбГУ, где совместными усилиями сотрудников различных кафедр были заложены основы геологических знаний автора Различные аспекты диссертации в разное время обсуждались с В Г Кривовичевым, А А Золотаревым, Д В Доливо-Добровольским, П Я Азимовым, С И Турченко, Т Ф Зингер и др, что позволило грамотно и разносторонне подойти к выполнению исследования и оформлению результатов

Постоянное внимание и настойчивость научного руководителя, А Б Вревского, сделало возможным реализацию настоящего исследования в сложных экономических и политических условиях Теорию и практику полевых геологических исследований, так же как возможности модельного подхода и концептуальные вопросы геологии докембрия автор постигал под руководством В А Матреничева Искренние снова благодарности автор адресует С Б Фелицыну за расширение сферы научных интересов автора, профессионализм и внимание к деталям

Отдельную благодарность автор выражает своей семье, без поддержки которой проведение данных исследований было бы невозможно, а также друзьям, пример которых послужил хорошим стимулом для доведения означенного исследования до логического финала Особую признательность автор выражает А В Матреничеву, Н В Матреничеву, Е В Климовой

Структура и объем работы

Работа содержит 7 глав, введение и заключение, в которых обосновываются защищаемые положения, 67 рисунков и 17 таблиц Список литературы содержит 71 наименование

В первой главе приведена информация по истории изучения докембрийского гипергенеза и основным результатам, достигнутым в этой области Вторая глава посвящена описанию геологического строения Восточной части Балтийского щита Третья глава посвящена описанию геологического строения раннедокембрийских профилей выветривания Карелии В четвертой главе приводится описание минерального состава и особенностей распределения в изученных объектах акцессорных минералов Пятая глава посвящена описанию геохимических особенностей раннедокембрийских кор выветривания Карелии В шестой главе изложена методика моделирования и результаты пересчетов начального минерального состава кор выветривания Карелии различного возраста Седьмая глава посвящена реконструкции состава гипергенных растворов и условий их существования в

раннем докембрии В заключении подводятся краткие итоги работы и формулируется ряд заключений и геологических следствий

Обоснование защищаемых положений

В строении раннедокембрийских кор выветривания, развитых на территории Карелии, выделяются 2 зоны• зона с высоким содержанием кальция и зона, обогащенная калием, что является первичной и специфической чертой их строения. Зона с повышенным содержанием КзО представляет собой наиболее выветренную (глинистую) часть коры выветривания, а возникновение зоны, обогащенной СаО, связано с накоплением карбонатов в наиболее проницаемых зонах профиля.

Такие профили образуются в раннем докембрии независимо от климатических условий как по гранитоидам, так и по породам основного состава

Коры выветривания в Карелии имеют широкое распространение и встречаются практически на всех стратиграфических уровнях раннего докембрия, начиная с верхнего архея Подобные образования детально описаны многими авторами (В К Головенок, В 3 и Т Ф Негруца, К И Хейсканен и др ) Наиболее значимая особенность химического состава раннедокембрийских кор выветривания Карелии, по сравнению с фанерозойскими аналогами, выражается в накоплении К2О в наиболее измененных горизонтах профиля В таблице 1 приведены коэффициенты изменения валового химического состава пород по профилю выветривания Коэффициенты представляют собой отношения содержаний элемента в выветренном горизонте к содержанию этого элемента в субстрате, что наглядно демонстрирует изменения химического состава и позволяет сравнить степени преобразования различных объектов В ходе исследований было изучено 14 объектов раннедокембрийских гипергенных изменений пород на территории Карелии различного возраста - от 2,8 млрд лет и до 2 млрд лет Анализ вариаций химического состава неоархейских и палеопротерозойских гипергенных образований Карелии (табл 1) свидетельствует о том, что формирование высококалиевых кор выветривания происходило в течение всего раннего докембрия по различному субстрату, как в условиях арктического климата, так и во время господства аридных обстановок (Алфимова, Матреничев, 2006)

Детальные петрографические и геохимические исследования гипергенных объектов показывают, что в некоторых корах выветривание можно выделить не только зону, обогащенную калием (Михайлов, 1986), но и зону, где происходит накопление кальция (№ 3, 9, 11 табл 1,табл 2) Одним из наиболее характерных и полных профилей выветривания Карелии

является кора выветривания на берегу оз М Янисъярви (С Приладожье)

Кора выветривания имеет предъятулийский возраст и развивается по архейским гранито-гнейсам Карельского массива и перекрывается ятулийскими кварцито-песчаниками Протяженность выхода около 100 м, мощность горизонта 15-20 м Породы претерпели Таблица 1 Изменение химического состава пород при формировании раннедокембрийских

кор выветривания Карелии, %

№ Место расположения возраст источник субстрат Климат* К 510, К А],О, КГ^О, К СаО К N»,0 Кк,о

- оз Малый Янисъярви предъятул и йская гранит -7 5 154 32 6 -55 9 -95 2 154 6

- оз Сегозеро предъятулийская (Металлогения Карелии Петрозаводск 1999) базальт 02 774 -ЗОЙ -1000 -95 1 5206

- оз Куолаярви предъятул и йская гранит 55 52 -39 9 -77 3 260 9 -32 9 -11 9

- оз Окуневское Лехтинская стр предъятулийская (Негруца 1979) гранит з а со -8 9 57 3 -179 -79 8 -97 9 3417

- оз Ахвенлампи, центр Карелия предъятулийская (Хейсканен 1990) гранит -14 2 20 6 17 4 -183 -94 6 98 9

- п Гирвас предъятулийская (Путеводитель 1998) андези базальт -5 9 53 7 -10 1 -92 1 -96 3 6160

- оз Паанаярви предсариолийская риодацит -10 8 4 1 11 6 -6 6 -64 4 22 4

- оз Большозеро предсариолийская андези базальт л X л -0 2 67 27 3 -57 4 -13 7 160 0

„ оз Косое предсариолийская (Негруца 1979) гранит-порфир а а -23 2 23 3 -14 1008 7 -87 9 28 9

оз Ватулма, Лехтинская стр предсариолийская гранит- порфир -7 3 -2 6 231 7 -22 9 -92 7 27 9

= Кумсинская стр предсумийская (Коросов 1991) грант -8 9 372 -5 6 100 0 -75 0 45 8

= оз Кукас предсумийская (Коросов, Назарова 1987) андезит И/У 43 7 70 2 -71 7 -95 1 -34 1 645.2

= Хизоваарская стр верхнелопийская андезит 49 1 7 -13 6 -9 5 -7 3 18 4

г оз Воронье Лехтинская стр предверхнелопийская гранит 39 29 -197 -77 5 -62 2 84 5

Примечание. Изменение содержания элемента К«««- [(Кэл кв - Кэл су5)/Кол суб] 100 где Кэл кв - концентрация элемента в выветренном образце Кэл суб - концентрация элемента в субстрате породе * - реконструкция климатических условий по [К Хсйскансн 1990 и А Ахмедов 1996] и/у - не установлено

изменения в условиях зеленосланцевой фации метаморфизма (Ранний докембрий , 2006)

Субстрат, по которому происходит развитие гипергенного профиля, представляет собой мигматизированные среднезернистые гранито-гнейсы серовато-розового цвета В строении профиля по результатам геологических и петрографических исследований выделяются зона начальной физической дезинтеграции пород, элювиальной брекчии и кварц-серицитовая зона

8

Переход от одной зоны к другой постепенный, резких границ не наблюдается В зоне физической дезинтеграции пород происходит сглаживание характерной для субстрата мигматитовой полосчатости, дробление пород на обломки

В зоне элювиальной брекчии неокатанные угловатые обломки пород и минералов составляют более 50 % объема породы и цементируются материалом, по составу схожим с субстратом Главным новообразованным минералом этой зоны является кальцит, который цементирует обломки породы и минералов и образует собственные кристаллы Наиболее

Рис 1 Изменение химического состава пород по профилю выветривания оз М Янисъярви, С Приладожье Условные обозначения 1- субстрат, 2- зона физической дезинтеграции пород, 3- карбонатная зона профиля, 4- глинистая зона профиля, 5- вышележащие породы, К = [(Кэл кв — Кэл суб)/Кэл суб] 100, где Кэл кв - концентрация элемента в выветренном образце, Кэл суб - концентрация элемента в субстрате

выветренная зона коры выветривания в настоящее время сложена мелкозернистым серицитом с незначительным количеством обломков материнских пород и резорбированных зерен кварца

Исследования распределения акцессорных минералов в профиле выветривания показало, что в измененных выветриванием частях профиля в 2,3 раза по сравнению с субстратом увеличивается содержание апатита и в 1,5 раза возрастает содержание циркона

Детальные геохимические исследования пород по профилю выветривания от неизмененных пород субстрата до выветренных образцов показывают, что в наиболее измененной выветриванием зоне происходит накопление калия на фоне выноса большинства щеточных и щелочноземельных элементов (рис 1) При этом на химическом профиле в

строении коры выветривания ясно выражена зона, в которой локализуется кальций В таблице 2 приведены коэффициенты изменения химического состава пород для элювиальной брекчии и для кварц-серицитовой зоны

Петрографическое изучение пород свидетельствует о том, что повышенная концентрация кальция наблюдается в породах из зоны элювиальной брекчии, где происходит отложение кальцита, а повышенным содержанием калия характеризуются породы из кварц-серицитовой зоны, которая первоначально, вероятнее всего, имела глинистый состав

В Карелии наряду с полными профилями химического выветривания наблюдаются и редуцированные коры выветривания - гипергенные образования, где сохраняется, или резко преобладает, лишь одна - карбонатная или глинистая зона Примером гипергенного профиля, в строении которого значительно лучше, чем глинистая, сохранилась карбонатная зона, является предсариолийская кора выветривания гранит-порфиров оз Ватулма, Лехтинская структура (2 табл 2)

В данном районе выветриванию подвергались гранит-порфиры, являющиеся

комагматами сумийских риодацитов (Левченков и с-1-г-т—11111—>-э 50 ^

др 1994) Стратиграфически выше через кору [ я»,5г,гг ] ^ *

выветривания залегает горизонт зеленоватых ■

„ 100 . /" \ к,о.

кварцевых песчаников Весь комплекс пород .. :

* - А * ° *

метаморфизован в условиях зеленосланцевои фации 100 ■ ^го «^^х^сао

(Левченков и др, 1994, Негруца, 1979) Гранит- з 2 £ ||| § | 3

щ (О Ш 10 Ч£)

порфиры представляют собой средне- ,1 ~

крупнозернистую породу серовато-розового цвета

Для них характерны релиеты порфировой Рис 2 Изменение химического состава

пород по профилю выветривания структуры, где порфировые вкрапленники оз Ватулма Условные обозначения см рис 1

представлены главным образом кварцем Переход от гранит-порфиров к коре выветривания постепенный Начальная степень изменения пород проявляется в образовании разноориентированных трещин, заполненных мелкозернистым обломочным материалом, состав которого аналогичен составу материнской породы В шлифах наблюдается дробление зерен полевых шпатов и кварца и замещение части зерен плагиоклаза мелкозернистым агрегатом слюдистых минералов, в настоящее время представленных мусковитом Вверх по разрезу, количество трещин постепенно увеличивается, порода теряет целостность и переходит в элювиальную брекчию Степень замещенности плагиоклаза слюдистым материалом возрастает вверх по профилю выветривания, при этом микроклин, также присутствующий в

.КО

ЯеО* А!,о; СаО Л/а ОН

породе, не подвергается значительным изменениям Основная сохранившаяся часть профиля сложена элювиальной брекчией, сцементированной карбонатным материалом Мощность этой зоны достигает 2,5 м Реликты глинистой зоны представляют собой линзовидные участки небольшой (1-5 см) мощности, расположенные в верхней части профиля В этих участках мелкие чешуйчатые кристаллы серицита слагают основную массу породы, в которой также отмечаются резорбированные зерна кварца и микроклина Плагиоклаз в этих зонах полностью замещен слюдистым агрегатом

Следует отметить, что верхней границы коры выветривания, как таковой, не наблюдается - цемент элювиальной брекчии в верхней части профиля постепенно переходит в залегающий выше кварцевый песчаник

Исследование распределения акцессорных минералов в гипергенном профиле показало, что по мере увеличения степени выветренности в породах возрастает содержание апатита (в 2,5 раза) и в 6 раз увеличивается количество циркона, при этом количество замутненных зерен

этого минерала с неровной, шероховатой поверхностью также увеличивается (Климова, Алфимова, 2006)

Распределение породообразующих элементов в профиле выветривания (рис 2) свидетельствует о том, что при формировании наиболее измененных (глинистых) горизонтов коры выветривания происходит вынос натрия и накопление калия Преобладает в строении коры выветривания зона, где содержания СаО, СОг, МпО согласованно и закономерно увеличиваются, что указывает на накопление в остаточной коре выветривания карбонатов СаО и МпО Петрографические исследования указывают на то, что такие химические изменения пород связаны с формированием карбонатного цемента элювиальной брекчии, происходившего под воздействием вещества гипергенных растворов

Примером редуцированного профиля выветривания с преимущественной сохранностью глинистой зоны является профиль выветривания гранитоидов фундамента Лехтинской структуры (оз Воронье) (№3, табл 2), имеющий предверхнелопийский возраст (Матреничев, Алфимова и др, 2005), Здесь гипергенным изменениям подвергались среднезернистые, лейкократовые плагиограниты фундамента Весь комплекс пород (гранитоиды фундамента, кора выветривания и перекрывающие ее породы охтинской серии) метаморфизованы в

Рис 3 Изменение химического состава пород по профилю выветривания оз Воронье Условные обозначения см рис 1

условиях амфиболитовой фации метаморфизма (Негруца, 1979) Кора выветривания в настоящее время представляет собой прослой мусковитовых сланцев, в котором содержание мусковита значительно увеличивается вверх по разрезу и достигает 50% объема породы Мощность коры выветривания не выдержана по простиранию и варьирует от 1,5 м до 2,5 м

Таблица 2 Изменение химического состава пород в различных зонах раннедокембрийских кор выветривания Карелии %_

№ Место расположения возраст субстрат Зона КВ* К SiO, К A1¡0, К FesO, К СаО KNUJO К К,О

1 Оз Малый Янисъярви прсдьятулийская гранит карбонатная 59 -40 9 -40 2 163 3 -95 9 23

глинистая -7 3 164 30 5 -55 2 -94 6 122 4

2 оз Ватулма предсариолийская гранит порфир карбонатная 13 5 -79 8 -43 8 394 7 -92 8 -64 8

глинистая -7 3 -2 6 231 7 -22 9 -92 7 27 9

3 оз Воронье предвсрхнелоп ий екая гранит- карбонатная -1 3 33 -19 12 3 -2 1 97

глинистая 39 29 -19 7 -77 5 •62 2 84 5

Примечание * - КВ - кора выветривания, расчет процентного соотношения этсмснтов производится по следующей формуле Изменение содержания элеме1гта К™,= [(Кэл кв - Кэт субУкэл cyó] 100 где Кэт кв - концентрация элемента в выветренном образце Кэл суб - концентрация элемента а субстрате

Переход от гнейсо-гранитов к образованиям коры выветривания постепенный, противоположный контакт - резкий

Для коры выветривания в целом характерна реликтовая линзовидная полосчатость, выраженная в появлении существенно плагиоклазовых или существенно кварцевых прослоев среди относительно однородного кварц-плагиоклазового матрикса, содержание мусковита при этом практически одинаково в прослоях разного состав Основная масса зерен плагиоклаза представляют собой гранулированные обломки от первично более крупных кристаллов Мусковит, как правило, развивается в виде удлиненных агрегатов вдоль трещин сланцеватости Изучение минерального состава тяжелой фракции искусственных шлихов, отобранных по профилю выветривания (от неизмененных плагиогранитов до контакта с вышетежащими вулканитами) выявило, что в образцах из коры выветривания увеличивается содержание апатита в 2-2,5 раза, и значительно, в 8-10 раз, увеличивается содержание циркона по сравнению с гранитоидами Цирконы из коры выветривания в целом аналогичны таковым из гнейсо-гранитов однако среди них значительно больше кристаллов со следами растворения, а также сильно трещиноватых и замутненных разновидностей (до полностью непрозрачных)

Породообразующие элементы в профиле выветривания распределены следующим образом в наиболее измененных частях профиля происходит накопление калия на фоне выноса натрия и кальция и незначительного увеличения содержания железа (рис 3) В профиле

отчетливо выделяется реликт карбонатной зоны, где происходит увеличение концентрации СаО Мощность этого участка около 40 см Общие тенденции изменения химического состава пород в профиле аналогичны описанным для предъятулийского и предсариолийского профилей выветривания и отражены в коэффициентах, приведенных в таблицах 1, 2

Таким образом, результаты геологических, петрографических и геохимических исследований раннедокембрийских профилей выветривания Карелии свидетельствует о том, что наблюдаемые вариации химического состава пород являются следствием первичного строения профилей выветривания, но не результатом неполной сохранности этих профилей или результатом их поздней метасоматической переработки Высококалиевая зона представляет собой глинистую, наиболее выветренную зону гипергенного профиля, тогда как карбонатная зона формируется за счет переотложения материала, вынесенного гипергенными растворами

Начальная стадия выветривания проявляется в виде физической дезинтеграции субстрата, в результате которой субстрат постепенно превращается в элювиальную брекчию Зона химических изменений не имеет четкой границы Наименее устойчивыми минералами в зоне гипергенных изменений являются биотит, мусковит и плагиоклаз Кристаллы плагиоклаза начинают замещаться мелкозернистым слюдистым агрегатом на самых ранних стадиях химических изменений пород, иногда даже в зоне физической дезинтеграции субстрата Калиевый полевой шпат, находящийся в породе, подвергается гипергенным изменениям в значительно меньшей степени

№ и Са, попавшие в дренирующий раствор во время преобразования субстрата, выносятся из зоны выщелачивания Однако, в зоне профиля, характеризующейся повышенной аэрацией, Са2+ взаимодействует с растворенной углекислотой, что приводит к осаждению карбонатных минералов в пределах остаточной коры выветривания и формированию карбонатной зоны профиля Карбонаты чаще всего локализуются в зоне повышенной трещиноватости пород или зоне элювиальной брекчии

Вне зависимости от состава и степени химического преобразования пород субстрата главными новообразованными минералами остаточных кор выветривания раннего докембрия являлись глинистые минералы группы смектита и иллита. В результате химических преобразований объем пород уменьшался на 65-95% об.

Очевидно, что современный состав минералов и количественно-минеральные соотношения в субстрате и образованиях кор выветривания отличаются от первоначальных, т к были изменены под воздействием метаморфизма Для предварительной полуколичественной

13

оценки минерального состава выветренных горизонтов раннедокембрийских профилей выветривания Карелии были использованы валовые химические составы этих образований Анализ корреляционных связей между содержаниями К-АЬв! в наиболее выветренных глинистых горизонтах кор выветривания свидетельствует о том, что главными новообразованными минералами в коре выветривания являются иллит и смектит На классификационной диаграмме, позволяющей определить минеральный состав глинистых пород по их химическому составу (Сергеева, 1998), большинство составов изученных пород находится в поле иллитовых глин

Таблица 3 Рассчитанный минеральный состав субстрата и глинистой зоны кор выветривания гранитоидов Карелии и количество растворившихся минератов, об %__

мине ралы оз Воронье оз Окуневское оз М Янисъя рви

гранит раствор среднее КВ гранит раствор среднее КВ гранит раствор среднее КВ

Кварц 32 5 179 38 7 44 6 42 6 22 1 26 8 75 38 2

Кпш 63 22 106 23 0 1 24 3 13 8 11 6 44

Пл 50 2 48 4 47 35 4 35 1 - 46 7 45 4 26

Апатит - - - 25 25 - - - -

Пирит - - 03 - - 02 - - 20

Биотит 93 - - 146 14 1 - 122 24 -

Му 1 7 - - 06 06 - 05 0 1 -

Иллит - - 43 4 - - 50 4 - - 48 6

Смектит - - 23 - - 30 - - 42

Слюды всего 110 - 45 7 152 14 7 53 4 12 7 25 52 8

Степень преобра зования - 68 5 - - 95 0 - - 67 0 -

сумма 100 100 100 100 100 100

Примечание гранит — минеральный состав субстрата, раствор среднее — количество минералов, растворенных при выветривании гранита (средние значения), КВ - минеральный состав глинистой зоны коры выветривания, кпш — калиевый полевой шпат, пл - шагиоклаз, му- мусковит, прочерк — минерал отсутствует

На основании результатов изучения вариаций состава пород по профилю выветривания были рассчитаны количественно-минеральные соотношения для субстрата и глинистой зоны кор выветривания (табл 3) Для расчетов был использован модифицированный алгоритм программы Ре1М1Х (\Vnght, ОоЬейу, 1970) исходными данными для которой послужили составы минералов современных гранитоидов и образований гипергенного происхождения, близкого с изучаемыми объектами химического состава, валовый состав субстрата и состав пород глинистой зоны Объемные соотношения растворившихся компонентов породы определены как разность минерального состава гранита и коры выветривания Количество

новообразованных глинистых минералов определялось исходя из содержания калия в исходных и конечных минеральных фазах и соотношения мольных объемов растворяющихся и образующихся минералов

Было рассчитано 2 варианта преобразования пород при выветривании для каждого объекта - с максимальной и минимальной степенью растворения калиевых полевых шпатов Получившиеся различия не превышали погрешностей, принятых при минеральных пересчетах, и в дальнейшем используются средние значения (табл 3) Степень химического преобразования пород варьирует от 65% до 95%, при этом главной минеральной фазой выветренных горизонтов является иллит Значительные различия в степени разложения субстрата хор выветривания при сходном строении еще раз подчеркивают, что высококалиевый состав глинистой зоны профиля отражает специфику геохимии докембрийских гипергенных профилей, а не является результатом эрозии верхних горизонтов кор выветривания

В раннем докембрии процессы преобразования пород в глинистой зоне гипергенных профилей выветривания происходили при кислотности растворов 40- 6.5 рВ и в восстановительных условиях среды. Раннедокембрийские гипергенные растворы отличались от водных растворов современных зоны гипергенеза низкой концентрацией натрия, кальция, калия и магния и значительно более высоким содержанием железа

На основе результатов моделирования минеральных преобразований в зоне гипергенеза был рассчитан химический состав безводного остатка раствора, дренирующего профиль выветривания При наличии данных о химическом составе сухого остатка, для опреде!ения концентрации элементов в растворе, необходимо оценить количество растворителя Минимальное количество растворителя можно рассчитать с использованием данных о максимальной растворимости наиболее трудно растворимых компонентов породы

Современные представления о растворении силикатов и алюмосиликатов в зоне гипергенеза постулируют инконгруэнтный стиль этого процесса При разложении минералов первыми из них выносятся щелочные и щелочноземельные элементы, расположенные в полиэдрах с 8, 10 и 12 вершинами Алюминий и кремний поступают в раствор на самом последнем этапе растворения Поэтому для расчета количества растворителя наиболее важную роль играют растворимости кремнезема и глинозема При кислотном выветривании, в условиях которого происходит преобразование гранитоидов, растворимость глинозема, широко варьирует в зависимости от рН, ЕЙ и других характеристик среды, тогда как растворимость кремнезема изменяется не столь значительно В растворах, находящихся в равновесии с

иллитом и монтмориллонитом, растворимость кремнезема составляет 60 мг/л (Гаррелс,1974) Таким образом, минимальное количество растворителя, необходимое для мобилизации кремнезема, составляет от 8 103 до 12 103 л раствора на каждый кг исходной породы

Исходя из полученного количества

растворителя, были рассчитаны

концентрации главных катионов в древних гипергенных растворах Суммарное количество главных катионов лишь для одного из профилей незначительно превышает 10 мг/л, что позволяет характеризовать их как растворы с низкой общей минерализацией по сравнению с современными гипергенными растворами В то же время концентрация железа, рассчитанная для докембрийских растворов, значительно превышает содержания железа в современных растворах (рис 4) Высокие концентрации железа в водных растворах возможны при нахождении его в форме иона Fe2+ , что достижимо только в восстановительных условиях, при повышенной кислотности (рН<6,5) среды Повышенная, по сравнению с современными, концентрация железа в древних растворах указывает на более высокие, чем в настоящий момент, значения окислительно-восстановительного потенциала атмосферы в раннем докембрии Аналогичные выводы о характере атмосферы в раннем докембрии были получены МШидловски, ХХоллендом, а также Р Corcoran и W Mueller (Corcoran, Mueller, 2004) Рассчитанная растворимость АЬ03 в древних гипергенных растворах составляет 12-19 мг/л Подобное значение соответствует условиям низкой растворимости АЬОз, которое ограничивается кислотностью раствора от 4 до 9 единиц рН (Мейсон, 1971) и соответствует середине интервала значений, полученных при прямых измерениях концентрации растворимого глинозема в водных вытяжках из почв (Бушинский, 1971) Таким образом, модельные расчеты позволяют оценить кислотность раннедокембрийских гипергенных растворов интервалом от 4 0 до 6 5 рН

Сравнение рассчитанных концентраций щелочных и щелочноземельных элементов для

10

0 1

0 01

Е31 E3203Q4

: " ~ ~ —* V г" /

■ \

:

W ^ 1 1 » Т 1

Fe!"

Мпг*

Мдг

Са'

Na*

К

Рис 4 Концентрации главных катионов в гипергенных растворах Условные обозначения раннедокембрийские коры выветривания 1-

03 М Янисъярви, 2-оз Окуневское, 3 - оз Воронье,

4 - подземные воды современных зон гипергенеза (Шварцев, 1998)

растворов докембрийских профилей выветривания с концентрациями этих катионов из современных растворов зон гипергенеза (рис 4) показало, что в растворах из древних зон выщелачивания концентрация большинства ионов ниже, чем в современных растворах, независимо от субстрата, климатических зон или геоморфологических провинций

Перераспределение редкоземельных элементов в профилях выветривания Карелии также свидетельствует о кислотных условиях раннедокембрийского гипергенеза Для предверхнелопийского гипергенного профиля (оз Воронье) значение отношения 1.а/УЬ изменяется от 12,8 в субстрате до 5,4 в выветренном образце, для предсариолийского профиля (озВатулма) от 23,1 в субстрате до 18,0 в выветренном горизонте, а для предъятулийского (оз МЯнисъярви) от 30,8 до 13,0 Подобные изменения Ьа/УЬ соотношения свидетельствуют в пользу кислых условий среды минералообразования (Бурков, 1996)

Заключение

Детальные геологические, минералого-петрографические и геохимические исследования кор выветривания раннего докембрия Карелии позволяют сформулировать следующие выводы

1 В строении профилей химического выветривания пород раннего докембрия Карелии, независимо от состава пород субстрата и климатических условий их формирования, выделяется 2 зоны - карбонатная и глинистая Эти зоны формируются последовательно в ходе единого процесса и, таким образом, генетически связаны друг с другом

2 Наряду с полными профилями химического выветривания наблюдаются и редуцированные коры выветривания, в разрезе которых преобладает одна (карбонатная или глинистая) зона

3 Главными новообразованными минералами остаточных кор выветривания раннего докембрия Карелии являлись глинистые минералы группы смектита и иллита Химические преобразования уменьшают объем субстрата весьма значительно - от 65 до 95 % об

5 В раннем докембрии преобразования пород в глинистой зоне гипергенных профилей происходили при кислотности 4 0-65 рН и в восстановительных условиях

В заключение хочется добавить, что автор осознает ограниченность возможностей реализуемого в диссертационном исследовании модельного подхода, а также необходимость расширения спектра методов, применяемых для изучения раннедокембрийского гипергенеза В ходе дальнейших исследований представляется целесообразным привлечение методов изотопной геологии, экспериментальная верификация используемых математических моделей, рентгенографическое исследование современных аналогов древних кор выветривания и ряда других методов

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1 Алфимова НА, Матреничев В А Условия континентального выветривания в архее Моделирование состава вод зоны гипергенеза при выветривании гранитоидов Лехтинской структуры, Северная Карелия // Материалы XIV молодежной конференции, посвященной памяти К О Кратца Петрозаводск, 2003 С 14-16

2 Апфимова НА , Матреничев В А Накотение калия в архейской коре выветривания специфика континентального выветривания на ранних этапах геологической истории Земли //Материалы международной научной конференции «Глины и Глинистые минералы» Воронеж, 2004 С 3-4

3 Матреничев В А , Пинькова Л О , Левченков О А , Макеев А Ф , Яковлева С 3, Алфимова НА Древнейшая кора континентального выветривания гранитов на Балтийском щите // Докл РАН Геохимия 2005 Т 400 №1 С 83-87

4 Алфимова НА , Матреничев В А , Фелицын С Б Эволюция химического выветривания в истории Земли и образование уникальных осадочных формаций Материалы совещания «Геология и геодинамика архея» СПб 2005, С 18-22

5 Матреничев В А, Алфимова НА, Левченков О А и др Лопийский комплекс Лехтинской структуры (С Карелия) Изотопный возраст, стратиграфия и взаимоотношения с фундаментом // Материалы совещания «Геология и геодинамика архея» СПб 2005 С 242-248

6 Алфимова НА Геологическое строение и стратиграфическая последовательность пород нижнего протерозоя западной части Паанаярвинской структуры (С Карелия) Материалы международного (X всероссийского) петрографического совещания «Петрография XXI века», Апатиты 2005 ТЗ С 21-24

7 Матреничев В А , Алфимова НА, Беляцкий Б В Перераспределение изотопов ЯЬ и Эг при континентальном выветривании в архее Состав растворов зоны гипергенеза гранитоидов фундамента Лехтинской структуры (С Карелия) Материалы совещания «Геология и геодинамика архея» СПб 2005, С 248-255

8 Алфимова НА Характеристика минеральных преобразований и состава растворов, сформированных при континентальном выветривании протерозойских гранитоидов -модельный подход (Лехтинская структура, С Карелия) //Материалы XVI молодежной конференции, посвященной памяти К О Кратца Апатиты 2005 С 161-165

9 Климова Е В, Алфимова НА, Матреничев В А Глинистые отложения пещер -современные аналоги древнейших гипергенных образований // Материалы 14 научной конференции «Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента» Сыктывкар 2005 , С 68-71

10 Алфимова НА , Матреничев В А Континентальное выветривание в раннем докембрии особенности минеральных преобразований и состав гипергенных растворов // Литология Полезные ископаемые 2006 Т 41, №6 С 518-529

11 Алфимова НА, Матреничев В А Особенности строения профилей химического выветривания раннего докембрия Карелии // Материалы XVII молодежной конференции, посвященной памяти К О Кратца Петрозаводск 2006, С 127-129

12 Климова ЕВ, Алфимова НА Условия континентального выветривания в докембрии Гипергенные преобразования раннепротерозойских гранитов Лехтинской структуры (С Карелия) Материалы XVII молодежной конференции, посвященной памяти К О Кратца, Петрозаводск, 2006, С 140-143

13 Фелицын С Б , Матреничев В А , Алфилюва НА Химическое выветривание в истории Земли и проблема рудогенеза // Глава II — го тома энциклопедического справочника «Планета Земля», ВСЕГЕИ, СПб Издание 2006

Подписано в печать 18 04.2007 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать офсетная Уел печ. л. 1 Тираж 120 экз Заказ №497.

Отпечатано в ООО «Издательство "ЛЕМА"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В О , Средний пр , д 24, тел /факс 323-67-74 e-mail izd_lema@mail ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Алфимова, Надежда Аркадьевна

Введение

Глава 1 История изучения докембрийских кор выветривания

Глава 2 Особенности геологического строения восточной части

Балтийского щита

Глава 3 Геологическое строение кор выветривания раннего ^ докембрия Карелии

3.1 Геологическое строение Лехтинского синклинория

3.1.1. Геологическое строение предверхнелопийского профиля выветривания, (оз. Воронье, детальный участок «Магистерский»)

3.1.2. Геологическое строение предсариолийского профиля выветривания (оз.Ватулма, детальный участок «Жаркий»)

3.2 Геологическое строение Паана-Куолаярвинской структуры

3.2.1. Особенности геологического строения и стратиграфии нижнего протерозоя западной части Паанаярвинской 55 структуры

3.2.2. Геологическое строение предсариолийского профиля выветривания (Детальный участок «Далекий»)

3.2.3. Геологическое строение предъятулийского профиля выветривания (оз. Кискинлампи, детальный участок 66 «Москитный»)

3.3 Геологическое строение Большезерской структуры и ^ профиля выветривания оз.Большозеро

Геологическое строение Северного Приладожья

3.4.1. Геологическое строение предъятулийского профиля ^ выветривания (детальный участок «Велосипедный») 3.5 Особенности геологического строения раннедокембрийских ^ кор выветривания Карелии

Глава 4 Акцессорные минералы кор выветривания раннего ^ докембрия Карелии

4.1. Акцессорные минералы из пород верхнелопийского профиля выветривания гранитоидов (оз.Воронье.

Лехтинская структура)

4.2. Акцессорные минералы из пород предсариолийского профиля выветривания гранит-порфиров (оз.Ватулма.

Лехтинская структура)

4.3. Акцессорные минералы из пород предъятулийского профиля выветривания гранито-гнейсов (оз.М.Янисъярви. С.Приладожье)

4.4. Особенности состава и распределения акцессорных минералов в корах выветривания раннего докембрия Карелии

Глава 5 Химический состав раннедокембрийских кор выветривания Карелии

5.1 Особенности химического состава кор выветривания Лехтинской структуры

5.1.1. Особенности химического состава пород предверхнелопийского профиля выветривания (оз.Воронье, детальный участок «Магистерский»)

5.1.2. Особенности химического состава пород предсариолийского профиля выветривания (оз.Ватулма, детальный участок «Жаркий»)

5.1.3. Особенности химического состава пород предъятулийского профиля выветривания оз. Окуневское

5.2. Особенности химического состава кор выветривания Паана-Куолаярвинской структуры

5.2.1. Особенности химического состава пород предсариолийского профиля выветривания (оз.Паанаярви, детальный участок «Далекий»)

5.2.2. Особенности химического состава пород предъятулийского профиля выветривания (оз.Кискинлампи, детальный участок «Москитный»)

5.3. Особенности химического состава пород предсариолийского профиля выветривания оз.Большозеро (Болыпезерская структура)

5.4 Особенности химического состава пород предъятулийского профиля выветривания (оз.М.Янисъярви, детальный участок «Велосипедный»)

5.5 Особенности химического состава пород предъятулийского профиля выветривания п.Гирвас (Онежская структура).

5.6. Геохимические особенности раннедокембрийских кор выветривания Карелии

Глава 6 Минеральный состав кор выветривания раннего докембрия Карелии

Глава 7 Химический состав раннедокембрийских гипергенных растворов Заключение

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Раннедокембрийские коры выветривания Карелии. Геологическое строение, химический состав и условия формирования"

Актуальность темы.

Уникальность геологической природы кор выветривания как единственных объектов, формирующихся на границе лито-, гидро- и атмосферы и несущих информацию об экзогенных процессах, обусловили широкий интерес геологов к их исследованию, начиная с первой половины XX века. В ходе более чем векового изучения кор выветривания различного возраста был получен ряд фундаментально важных результатов, в том числе свидетельствующих о специфичности додевонских кор химического выветривания. Большинство работ по докембрийским корам выветривания было выполнено в 60-70-хх годах прошлого столетия. Последние крупные обзорные статьи российских исследователей на данную тему были опубликованы в 1980- 1990-х годах (Михайлов, 1986, Ронов, Мигдисов. 1990).

Коры выветривания являются достоверными индикаторами континентальных обстановок литогенеза, а при отсутствии метаосадочных пород, что часто наблюдается в раннедокембрийских структурах, становятся единственными источниками информации об условиях, существовавших при континентальном литогенезе.

Интерес к древним корам выветривания не угасает, и в последнее время стали появляться статьи зарубежных исследователей, посвященные докембрийскому гипергенезу. По мере накопления геологических данных, совершенствования инструментальной базы изотопно-геохимических исследований и разработки методов численного моделирования геологических процессов, стало очевидно, что изучение докембрийских кор выветривания требует применения новых методических приемов исследования процесса гипергенеза.

Цель работы.

Реконструкция главных закономерностей континентального химического выветривания в раннем докембрии Карелии, на основе изучения геологического строения и вещественного состава кор выветривания.

Задачи работы.

- изучение геологического строения кор химического выветривания пород раннего докембрия Карелии, их петрографических, минералогических и геохимических особенностей;

- реконструкция первичных количественно-минеральных соотношений в породах субстрата и продуктах их выветривания;

- разработка методики изучения древнейших метаморфизованных гипергенных профилей;

- оценка степени химического разложения субстрата и состава гипергенных растворов на основе количественного моделирования.

Фактический материал и методы исследования.

В основу работы легли материалы полевых исследований автора и его коллег, собранные в период с 2000 по 2006 г на территории Карелии. Исследования проводились в Паанаярвинской, Куолаярвинской, Кукасозерской, Хизоваарской, Онежской структурах, в 2 зонах Лехтинской синклинорной структуры, в Большезерской структуре и в Северном Приладожье. Полевые исследования включали детальное геологическое картирование опорных участков, геохимическое опробование реперных объектов. Важную часть исследований составляет анализ опубликованных материалов по гипергенным образованиям Карелии (ИГ КарНЦ РАН ВЛ.Горьковец, М.Б.Раевская, К.И.Хейсканен, В.И.Коросов и др.), (ИГ КНЦ РАН Т.Ф. и В.З Негруца) др. авторов. В ходе исследований было обработано около 250 петрографических шлифов, более 300 результатов оригинальных химических анализов пород и минералов, около 20 искусственных шлихов, отобранных по профилям выветривания. Определение содержания элементов производилось с помощью ЭРФА и 1СР-М8. Для количественной оценки степени химических изменений при континентальном выветривании разработана и опробована методика геохимического моделирования гипергенных преобразований гранитоидов.

Научная новизна.

На основе комплекса геологических, петрографических и геохимических данных обосновано двучленное строение полного профиля неоархейских и палеопротерозойских кор выветривания Карелии. Показано, что присутствие высококалиевой и карбонатной зон в профилях раннедокембрийского континентального химического выветривания является первичным генетическим признаком их строения.

Впервые для раннего докембрия Карелии реконструированы количественные соотношения породообразующих минералов в корах выветривания и обоснован преимущественно иллитовый первичный состав наиболее выветренных частей гипергенного профиля.

Впервые на основе численного моделирования процессов гипергенеза рассчитан элементный состав гипергенных растворов и оценены физико-химические условия его образования.

Практическая ценность.

Результаты проведенных исследований значительно приближают исследователей к пониманию специфики литогенеза в раннем докембрии, позволяют реконструировать с принципиально новых позиций процессы перераспределения и накопления рудных компонентов при гипергенезе и могут использоваться при прогнозных оценках территорий на железо, ванадий, кобальт, золото, уран.

Полученные в ходе исследований геологические данные значительно расширяют возможность стратиграфического расчленения и корреляции супракрустальных разрезов раннего докембрия Балтийского щита.

Основные защищаемые положения.

1. В строении раннедокембрийских кор выветривания, развитых на территории Карелии, выделяются 2 зоны: зона с высоким содержанием кальция и зона, обогащенная калием, что является первичной и специфической чертой их строения. Зона с повышенным содержанием К2О представляет собой наиболее выветренную (глинистую) часть коры выветривания, а возникновение зоны, обогащенной СаО, связано с накоплением карбонатов в наиболее проницаемых зонах профиля.

Такие профили образуются в раннем докембрии независимо от климатических условий как по гранитоидам, так и по породам основного состава.

2. Вне зависимости от состава и степени химического преобразования пород субстрата главными новообразованными минералами остаточных кор выветривания раннего докембрия являлись глинистые минералы группы смектита и иллита. В результате химических преобразований объем пород уменьшался на 65 - 95 % об.

3. В раннем докембрии процессы преобразования пород в глинистой зоне профилей выветривания происходили при кислотности растворов 4.06.5 рН и в восстановительных условиях среды. Раннедокембрийские гипергенные растворы отличались от водных растворов современных зон гипергенеза низкой концентрацией натрия, кальция, калия и магния и значительно более высоким содержанием железа.

Апробация результатов.

Результаты исследований были представлены на молодежных конференциях (молодежные конференции, посвященные памяти К.О.Кратца 2002 - 2006 гг, конференция «Современные проблемы геохимии», Иркутск, 2004 г, конференция «Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента», Сыктывкар, 2005г), российских совещаниях («Геология и геодинамика архея», С-Петербург, 2005г) и международных конференциях (международная научная конференция «Глины и Глинистые минералы», Воронеж, 2004).

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, включающих 2 статьи в рецензируемых журналах.

Благодарности.

Автор считает приятным долгом высказать благодарности людям, без участия которых выполнение данной работы было бы невозможно. Прежде всего, это относится к коллективу работников геологического факультета СПбГУ, где совместными усилиями сотрудников различных кафедр были заложены основы геологических знаний автора. Различные аспекты диссертации в разное время обсуждались с В.Г.Кривовичевым, А.А.Золотаревым, Д.В. Доливо-Добровольским, П.Я.Азимовым, С.И.Турченко, Т.Ф.Зингер и др., что позволило грамотно и разносторонне подойти к выполнению исследования и оформлению результатов.

Постоянное внимание и настойчивость научного руководителя, А.Б.Вревского, сделало возможным реализацию настоящего исследования в сложных экономических и политических условиях. Теорию и практику полевых геологических исследований, так же как возможности модельного подхода и концептуальные вопросы геологии докембрия автор постигал под руководством В.А.Матреничева. Искренние слова благодарности автор адресует С.Б.Фелицыну за расширение сферы научных интересов автора, профессионализм и внимание к деталям.

Отдельную благодарность автор выражает своей семье, без поддержки которой проведение данных исследований было бы невозможно, а также друзьям, пример которых послужил хорошим стимулом для доведения означенного исследования до логического финала.

Особую признательность автор выражает А.В.Матреничеву, Н.В.Матреничеву, Е.В.Климовой.

Заключение Диссертация по теме "Общая и региональная геология", Алфимова, Надежда Аркадьевна

Результаты исследования состава пород предсариолийского профиля выветривания, развитого по андезибазальтам сумия (табл. 9), свидетельствуют о том, что характер перераспределения химических элементов по профилю выветривания в целом аналогичен распределению породообразующих элементов в изученных гипергенных профилях раннего докембрия Карелии.

По поведению в зоне выветривания элементы разделились на три группы (рис.56): 1) Ка20 и СаО интенсивно выносятся из пород профиля; 2) АЬОз, ТЮ2, БеО*, М§0 - группа инертных элементов, количество которых незначительно увеличивается вверх по профилю выветривания; 3) элементы, активно накапливающиеся в профиле - к таким элементам относится К20. Вынос натрия и кальция в наиболее выветренной зоне коры выветривания сопутствует разложению и деанортизации плагиоклаза, содержавшегося в исходной породе, под воздействием гипергенных растворов. При

100 о4

-100 го о О) см со I тг га тО ю Л из о

N т-Ю ю о со ю

К20

ГеО* А1203

СаО

А1а20

Л-1 ч ^ , ч ^ Ч 1 чЛУ.М '"¿Ц

Фъ

1 м

Рис. 56. Изменение химического состава пород по профилю выветривания оз.Большезеро, Большезерская структура. Условные обозначения: 1-субстрат, 2- зона физической дезинтеграции пород, 3- карбонатная зона профиля, 4- глинистая зона профиля, 5- конгломераты, К, % = [(Кэл.кв -Кэл.суб)/ Кэл.суб]1100, где Кэл.кв - концентрация элемента в выветренном образце, Кэл.суб - концентрация элемента в субстрате выветривании темноцветных минералов, содержащихся в изученных породах, происходит образование хлорита. Порода при этом теряет свой насыщенный зеленый цвет и становится более светлой, сероватой (см. главу 3, п. 3.3). При дальнейшем выветривании хлорит преобразуется в минералы группы смектита и иллита (Кашик, 1989, Короновский, Якушова 1991). При образовании аутигенных глинистых минералов в породах относительно увеличивается содержание таких элементов, как алюминий, магний и железо - происходит фиксация этих компонентов в новообразованных хлоритах, что не позволяет им покинуть гипергенный профиль. Накопление магния в гипергенных объектах, образованных по породам основного состава, происходит также в результате фиксации М§0 в виде бикарбоната магния, осаждающегося из гипергенного раствора в виде нерастворимого осадка (Короновский, Якушова, 1991) Увеличение содержания в породах профиля К20 может быть объяснено тем, что в процессе гипергенных преобразований хлориты замещаются минералами группы смектита и иллита, в результате чего в происходит относительное обогащение калием выветренных горизонтов.

Наблюдаемый характер перераспределения химических элементов по профилю выветривания андезибазальтов оз.Болыпозеро согласуется с результатами геологических наблюдений и позволяет предположить именно такой механизм его формирования. образец зона Si02 ТЮ2 А1203 FeO* МпО MgO СаО Na20 к2о р2о5 ппп Сумма

205е 205а субстрат 68.60 71.70 14.90 13.80 0.65 0.47 3.87 2.54 0.04 0.03 0.94 0.49 1.64 1.14 3.83 3.74 4.44 4.81 0.15 0.09 0.85 1.09 99.90 99.90

2056 205в К. 29.30 20.40 5.32 4.08 0.23 0.20 2.32 2.35 0.26 0.34 2.54 2.87 31.70 37.40 1.09 0.72 1.55 1.19 0.07 0.05 25.70 30.40 100.08 100.00

205д Г. 72.20 8.96 0.22 0.88 0.05 0.28 5.92 2.57 3.91 0.08 4.77 99.84

Примечание. Содержания породообразующих компонентов определены РФА во ВСЕГЕИ, аналитик Цимошенко Б.А., субстрат - не затронутая выветриванием зона профиля, К. - карбонатная зона профиля выветривания, Г. - глинистая зона профиля выветривания РеО* =ре0+0.9*ре203

Заключение.

Детальные геологические, минералого-петрографические и геохимические исследования кор выветривания раннего докембрия Карелии позволяют сформулировать следующие выводы:

1 В строении профилей химического выветривания пород раннего докембрия Карелии, независимо от состава пород субстрата и климатических условий их формирования, выделяется 2 зоны - карбонатная и глинистая. Эти зоны формируются последовательно в ходе единого процесса и, таким образом, генетически связаны друг с другом.

2 Наряду с полными профилями химического выветривания наблюдаются и редуцированные коры выветривания, в разрезе которых преобладает одна (карбонатная или глинистая) зона.

3. Главными новообразованными минералами остаточных кор выветривания раннего докембрия Карелии являлись глинистые минералы группы смектита и иллита. Химические преобразования уменьшают объем субстрата весьма значительно - от 65 до 95 % об.

5. В раннем докембрии преобразования пород в глинистой зоне гипергенных профилей происходили при кислотности 4.0 - 6.5 рН и в восстановительных условиях.

В заключение хочется добавить, что автор осознает ограниченность возможностей реализуемого в диссертационном исследовании модельного подхода, а также необходимость расширения спектра методов, применяемых для изучения раннедокембрийского гипергенеза. В ходе дальнейших исследований представляется целесообразным привлечение методов изотопной геологии, экспериментальная верификация используемых математических моделей, рентгенографическое исследование современных аналогов древних кор выветривания и ряда других методов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Алфимова, Надежда Аркадьевна, Санкт-Петербург

1. Авдонин П.М. Месторождения металлических полезных ископаемых. М., 1999. 729 с.

2. Акулыиина Е.П. Эволюция физико-химических условий выветривания от рифея до мезозоя (по данным изучения глинистого вещества) / Коры выветривания и бокситы: тез. докладов всесоюзного совещания. Кустанай, 1981. С. 53-54.

3. Алфимова H.A., Матреничев В.А., Фелицын С.Б. Эволюция химического выветривания в истории Земли и образование уникальных осадочных формаций // Материалы совещания «Геология и геодинамика архея». СПб., 2005, С. 18-22.

4. Алфимова H.A., Матреничев В.А. Континентальное выветривание в раннем докембрии: особенности минеральных преобразований и состав гипергенных растворов //Литология. Полезные ископаемые. 2006. Т. 41, №6. С.518-529.

5. Борисов М.В. Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования. М., 2000. 356 с.

6. Бурков В.В. Литофильные и редкие элементы в корах выветривания. М.: ИМГРЭ, 1996. 238 с.

7. Бушинский Г.И. Геология бокситов. М.: Недра, 1971. 416 с.

8. Воинов A.C., Полеховский Ю.С. Стратиграфия нижнего протерозоя Пана-Куолаярвинской структурной зоны (Северная Карелия) // Труды ВСЕГЕИ, т.339, 1985, С. 96-106.

9. Ю.Вулканизм архейских зеленокаменных поясов Карелии Л.: Наука, 1981. 154 с.

10. П.Гаррелс Р., Маккензи Ф. Эволюция осадочных горных пород. М.: Мир, 1974.260 с.

11. Головенок В.К. Докембрийские коры выветривания, их особенности и методика литолого-геохимического изучения // Докембрийские коры выветривания. М.: Наука, 1975. С. 16-27.

12. Горьковец Б.Я., Раевская М.Б. Путеводитель геологических экскурсий по архею в районе Костамукшского железорудного месторождения. Петрозаводск: Изд-во Кар НЦ РАН, 1992. 35 с.

13. Дир У.А., Хауи P.A., Зусман Д. Породообразующие минералы. Т.2,3. М.: Мир, 1966.312 с.

14. Ильинский Г.А. Диагностика шлиховых минералов. JL, 1991. 99 с.

15. Карпов И.К., Киселев А.И., Летников Ф.А. Моделирование природного минералообразования на ЭВМ. М.: Недра, 1976.256 с.

16. Кашик С. А. Формирование минеральной зональности в корах выветривания. Новосибирск: Наука. 1989.216 с.

17. Кашик С.А. Мазилов В.Н. Физико-химические модели новейших процессов выветривания, Новосибирск: Наука. 1987.146 с.

18. Климова Е.В., Алфимова H.A., Матреничев В.А. Глинистые отложения пещер современные аналоги древнейших гипергенных образований // Материалы 14-й молодежной конференции Института геологии Коми НЦ Уро РАН. Сыктывкар. 2005, С. 68-71.

19. Короновский H.A., Якушова А.Ф. Основы геологии. МЛ991.

20. Коросов В.И. Геология доятулийского протерозоя восточной части Балтийского щита (сумий, сариолий). Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 1991. 118 с.

21. Коросов В.И., Назарова Т.Н. Карельский комплекс Кукасозерской-Тикшозерской структуры // Геология Северо- и Восточно-Карельской структурных зон (материал к опорному разрезу нижнего докембрия). Петрозаводск, 1987. С. 56-80.

22. Корякин A.C. Диагностические критерии метаморфизованной коры выветривания (на примере Центральной Карелии) // Докембрийские коры выветривания. М.: Наука, 1975. С. 28-34.

23. Кратц К.О. Геология карелид Карелии. M.-JL: Наука, 1963. 210с.

24. Левченков O.A., Николаев A.A., Богомолов Е.С., Яковлева С.З. Уран-свинцовый возраст кислых магматитов сумия Северной Карелии // Стратиграфия. Геол. Корреляция. 1994, Т. 2. № 1. С. 3-9.

25. Матреничев A.B., Богомолов Е.С. Изотопный возраст кислых вулканитов Болыпезерской структуры (Западная Карелия) // Материалы конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии». Иркутск, 2004. С.31-33.

26. Матреничев В.А., Степанов К.И., Пупков О.М. Стратиграфия и особенности вещественного состава раннепротерозойских вулканитов Сортавальского поднятия. (Северное Приладожье) // Вестн. СПбГУ. 2004. В. 2. С.З 1-44.

27. Матреничев В.А., Пинькова Л.О., Левченков O.A. и др. Древнейшая кора континентального выветривания гранитов на Балтийском щите // Докл. РАН. 2005а Т. 400. №1. С.83-87.

28. Материалы совещания «Геология и геодинамика архея». СПб.: 2005в. С. 254-259.

29. Махнач A.C., Левых H.H. Литология и геохимия кор выветривания, развитых на кристаллическом фундаменте Белоруссии. Минск. 1973. 315 с.

30. Мац В.Д., Попов Ю.Г. Некоторые черты эволюции коры химического выветривания гранитов // Докембрийские коры выветривания. М.: Наука, 1975. С. 104-116.

31. Мейсон Б. Основы геохимии / Под ред. Щербины B.B. М.: Наука, 1971. 311с.

32. Металлогения Карелии / под ред. Рыбакова С. И., Голубева А.И. Петрозаводск: изд-во КарНЦ РАН., 1999. 340 с.

33. Мигматизация и гранитообразование в различных термодинамических режимах. М.Л., 1985. 310 с.

34. Миллер Ю.В. Структура архейских зеленокаменных поясов. Л.: Наука, 1988. 143 с.

35. Минералогия Хибинского массива (минералы). Под ред. В.Ф.Чухрова. М.: Наука, 1978, Т.2. 584 с.

36. Михайлов Б.Н. Рудоносные коры выветривания. Л.: Недра, 1986238 е.

37. Полеховский Ю.С. Сумий и сариолий в Паанаярвинской структурной зоне (Северная Карелия) // Труды ВСЕГЕИ. 1985, Т. 339. С. 106-113.

38. Путеводитель геологических экскурсий Международного симпозиума «Палеоклиматы и эволюция палеогеографических обстановок в геологической истории Земли». Петрозаводск.: Изд-во КарНЦ РАН, 1998. 98 с.

39. Ранний докембрий Балтийского щита. СПб.: Наука, 2005. 711с.

40. Ронов А.Б., Мигдисов A.A., Хане К. К вопросу о распространенности и вещественном составе глин осадочного чехла Русской платформы // Геохимия. 1990. №4. С. 467-482.

41. Светов А.П., Свириденко Л.П. Стратиграфия докембрия Карелии. Сортавальская серия свекокарелид Приладожья. Петрозаводск: изд-во КарНЦ РАН, 1992. 152 с.

42. Сергеева Э. И. Семейство пелитолиты пелитовые, глинистые породы / Систематика и классификация осадочных пород и их аналогов. Под ред. Шванова В. Н. СПб.: Недра, 1998. 352 с.

43. Суслова С.Н., Курлов Н.С., Мечников Ю.Л О новой находке древней коры выветривания гранитоидов в районе Кривого Рога // Региональная геология и металлогения, 1995/№4.

44. Харитонов Л.Я. Структура и стратиграфия Карелид восточной части Балтийского щита. М.: Недра, 1966,360 с.

45. Хейсканен К.И. Палеогеография Балтийского щита в Карельское время. Петрозаводск.: Изд-во КарНЦ РАН, 1990.128 с.

46. Хейсканен К.И. Карельская геосинклиналь. Л.: Наука, 1980.168 с.

47. Холодов В.Н. К проблеме эволюции осадочного прочеса в истории Земли //Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993.1. С.123-167.

48. Чайка В.М., Горшкова Е.Б., Казак А.П. Цирконовый метод в осадочной геологии докембрия // Циркон в породах докембрия и фанерозоя. М.: Наука, 1985. С. 3-14.

49. Шварцев C.JI. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М.: Недра, 1998.450 с. 56.1Пидловски М. Атмосфера архея и эволюция кислородного запаса Земли // Ранняя история Земли. М.: Мир, 1980. 575 с.

50. Холленд X. Химическая эволюция океанов и атмосферы. М.: Мир. 1989. 551с.

51. Шульдинер В.И„ Козырева И.В., Балтыбаев Ш.К. и др. Плутоно-метаморфическая эволюция Западного Приладожья: новая модель // Регион, геол. и металлогения. 1995. №4. С.52-62.

52. Шульдинер В.И., Козырева И.В., Балтыбаев Ш.К. Возрастное и формационное расчленение раннедокембрийских образований СевероЗападного Приладожья // Стратиграфия. Геол. корреляция. 1996. Т. 4, №3. С. 11-22.

53. Яншин A.JI, Жарков М.А. Фосфор и калий в природе. Новосибирск: Наука, 1986. 190 с.

54. Япаскурт О.В. Предметаморфические изменения осадочных пород в стратисфере. Процессы и факторы. М.: ГЕОС, 1999.257 с.

55. Corcoran P.L., Mueller W.U. Aggressive Achaean weathering // Development of Precambrian geology, 12. The Precambrian Earth: Tempos and events. Elsevier, 2004. P.495-504.

56. Evans D.A., Beukes N.J., Kirshvink J.L. Low-latitude glaciation in the Palaeoproterozoic era //Nature, Vol. 386,1997, P.262-268.

57. Gaidos E.J., Nealson K.H., Kirshvink J.L. Life in ice-covered oceans // Science. Vol. 284, 1999. P.1631-1633.

58. Farquhar J., Bao H., Thiemens M. Atmospheric influence of Earth's earliest sulfur cycle // Science. Vol. 289,1. 5480, P.756-758,2000.

59. Furhman M.L., Lindsley D.H. Ternary-feldspar modeling and thermometry. American Mineralogist, V.73. P. 201-215,1988.

60. Kulikov V.S., Galdobina L.P., Voinov A.S., Golubev A.I., Kashpirov S.I., Polehovsky Yu.S., Svetov A.P. Jatulian geology of the Paanajarvi- Kuolajarvisynclinorium 11 Jatulian Geology in the eastern part of the Baltic Shield. Rovaniemi, 1980. P.73-93

61. Meunier A., Velde B. Illite. Origins, evolution and Metamorphism. Springer, Germany. 2004.282 p.

62. Nesbitt N.N., Markovics G., Price R.C. Chemical processes affecting alkalies and alkaline earths during continental weathering // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1980. V.44. P.1659-1666.

63. Wright T.L., Doherty P.C.: A linear programming and least squares computer method for solving petrologic mixing problems. Bull. Geol. Soc. Am. 81, 1995— 2008 (1970)

64. База данных по кристаллическим структурам минералов Минкрист. http://database.iem.ac.ru/mincrvst