Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 490, № 2, стр. 15-20

ВВЕДЕНИЕ

При изучении “записей” палеоземлетрясений в разломных зонах, дающих обильный материал для реконструкции петрогенетических и геомеханических условий реализации сейсмического процесса [1, 2], на первый план всегда выходит проблема критериев или маркеров, по которым заведомо сейсмогенные подвижки можно было бы отличить от асейсмических или криповых движений [3]. Из таких маркеров, подтвержденных в том числе экспериментальными результатами, можно упомянуть лишь псевдотахилиты [4, 5] и зеркала скольжения [2, 6]. Поиск новых свидетельств через изучение особенностей преобразования пород разного состава при сейсмических скоростях подвижки (>1 м/с) показал перспективность в этом отношении анализа структурного состояния углеродного вещества (УВ) в карбонатах и в других геоматериалах [7]. Возможность выделения свободного углерода в процессе термомеханического разложения карбонатов через последовательность реакций CaCO₃ → CaO + + CO₂↑ (1) и СО₂ → С + О₂↑ (2), порог активации которых может быть преодолен за счет сейсмической энергии, подробно рассмотрена в работе [8] и обоснована экспериментально [7]. Согласно приведенным данным, атомы обнаруженного углерода имеют плоскостно-тригональную sp²-гибридизацию, т.е. образуют три равноценные связи в одной плоскости под углом 120°. Спектр комбинационного рассеяния (КР) sp²-углерода весьма характерен и содержит две основные полосы вблизи частот ~1350 см^–1 (D-полоса) и ~1580 см^–1 (G-полоса) и полосу обертона 2D в области ~2670 см^–1.

Существенным показателем условий появления и эволюции УВ в породах является его структурное состояние, отражающее среди прочего характер и степень температурного и деформационного воздействия на породу. Принципиально важной здесь является способность sp²-углерода создавать различные модификации с разной степенью упорядоченности структуры, соответствующей стадийности и зрелости необратимых преобразований в эволюционном ряду аморфный углерод – графит [9]. Эти модификации различаются параметрами D-, G- и 2D-полос в спектрах КР (точным положением полос, их интенсивностью, полушириной и контуром).

Как показали эксперименты по углеродизации чистого мрамора в условиях высокоскоростного сдвига и водородной атмосферы [7], выделение свободного sp²-углерода происходит первоначально в виде аморфного углерода, а дальнейшее термальное воздействие за счет фрикционного разогрева и высокие величины тангенциальных напряжений приводят к его структурной перестройке в сторону бóльшей упорядоченности вплоть до графитовой структуры. Одним словом, при сейсмогенной динамической подвижке имеются все условия для прогрессивного и необратимого преобразования аморфного углерода в стабильный графит с помощью термически и стресс-активированной графитизации, даже в отсутствие необходимого уровня регионального метаморфизма. В связи с этим появляется еще один критерий распознавания сейсмогенной природы движений и структурно-вещественных преобразований пород в разломах, а именно структурное состояние УВ, что расширяет возможности для оценок сейсмической активности в регионах в отдаленном прошлом, в новейшее или в настоящее время [10].

Иллюстрацией этому могут служить результаты изучения УВ в карбонатных и метатерригенных толщах палеозоя хребта Султан-Уиздаг (СЗ Узбекистан), где нами были проанализированы углеродсодержащие тектониты в разломных зонах предполагаемого сейсмогенного типа. В этом регионе, где сочленяются герцинские структуры Урала и Тянь-Шаня (рис. 1) [11], в терригенно-вулканогенно-осадочном разрезе, претерпевшем складчато-разрывные деформации и неоднородный метаморфизм до эпидот-амфиболитового уровня, значительную долю составляют карбонатные породы. Они представлены массивными или полосчатыми мраморами с реликтами мраморизованных известняков с комплексом фауны криноидей и амфипор. В силу сложной деформационно-метаморфической эволюции мраморы здесь образуют линейно-протяженные тела с отчетливо тектоническими границами в чередовании с толщами терригенных пород, вместе с которыми они встроены в разрывно-складчатую структуру региона (рис. 1а).

Рис. 1.

Схемы строения хребта Султан-Уиздаг и объекта исследования. а – 1–5 – породы силура–девона: 1 – метатерригенные, 2 – карбонатные, 3 – метабазиты, 4 – серпентиниты, 5 – вулканогенно-осадочные; 6 – вулканиты раннего карбона, 7 – граниты, 8 – граносиениты, 9 – пироксениты, 10 – тектонические контакты и шарьяжи, 11 – сдвиги; б – 1 – слюдистые сланцы, 2 – слоистые мраморизованные известняки, 3 – светлые мраморы, 4 – серые мраморы, 5 – черные мраморы, 6 – граниты, 7 – разрывы, 8 – местоположение изученных образцов.

Специфической особенностью карбонатных толщ и смежных с ними метатерригенных сланцев является заметное их почернение за счет появления в матрице обильного дисперсного УВ в заведомо разрывных зонах, секущих первичную слоистость мраморизованных известняков с фауной, а также на тектонических контактах тел (рис. 1б). Углеродное вещество в виде пылевидных выделений микронной или миллиметровой размерности обычно локализуется в разломах в линзовидно-полосчатых формах (рис. 2а), а в приразломных зонах повреждения по неупорядоченной системе трещиноватости, концентрируясь по границам зерен и микротрещин (рис. 3а). В предельно почерненных разностях карбонатов доля УВ местами может превышать 30–50% одновременно с соответствующим уменьшением содержания кальцита, косвенно указывая на вероятность формирования первого за счет термомеханического разрушения второго.

Рис. 2.

Фото образца (б), шлифов (а, в) и спектры КР УВ для точек 1 (г) и 2 (д) в полосчатом образце мрамора из зоны разлома (см. точку 2 в кружке на рис. 1б).

Рис. 3.

Фото образца (а) из приразломной зоны повреждения субстрата (см. точку 3 на рис. 1в), шлифа (б) и спектры КР УВ (в, г), полученные для разных участков этого образца.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Углеродное вещество в породах как карбонатного, так и слюдистого состава было изучено методами спектроскопии КР, включая микро-картографирование по поверхности с разрешением 2 мкм. Диагностические возможности этого эффективного неразрушающего метода определения структурного состояния УВ подробно рассмотрены в публикации [12]. Все спектры КР изученных образцов соответствуют sp²-углероду. При исследованиях использовался лазерный КР-спектрометр “Horiba-Jobin-Yvon” LabRAM-300, снабженный микроскопом; возбуждающая линия 632.8 нм He–Ne-лазера мощностью 0.3–3 мВ, точность определения частот ±2 см^–1.

Изучение полосчатых разностей карбонатов (рис. 2) из приконтактовой зоны (см. рис. 1в) мраморного поля показало существенные различия структурного состояния УВ в разных по степени “почернения” полосах. В более широких, серых по цвету зонах (рис. 2 а) с мелкозернистым массивным сложением карбонатного субстрата и достаточно низким процентным содержанием УВ (5–15%) спектры КР имеют характерный для аморфного sp²-углерода “двугорбый” вид (рис. 2г) с двумя широкими полосами вблизи частот 1360 см^–1 (D-полоса) и 1570 см^-1 (G-полоса). В противоположность этому спектры КР, зарегистрированные в черных полосках (рис. 2б, в), где, судя по гораздо меньшей размерности зерен и заметной текстуризации карбонатно-углеродного субстрата, имела место локализованная сдвиговая деформация, имеют принципиально иной вид, соответствующий высокоупорядоченному гексагональному графиту (рис. 2д). Под микроскопом здесь видны плоские треугольные кристаллы (~100 мкм) (см. врезку на рис. 2д), в спектрах которых наблюдается очень интенсивная узкая линия G при слабо проявленной полосе D, отражающей дефектность кристаллической решетки графита, что свидетельствует о высоком совершенстве и значительных размерах кристаллитов. К этому следует добавить, что спектры КР графитов, зарегистрированные от разных участков черной полоски, демонстрируют минимальный разброс значений параметров линий в противоположность таковым в спектрах КР УВ, соответствующих серым полосам.

Углеродное вещество в ветвистых формах локализации из приразломных зон, где следы сдвиговых деформаций субстрата выражены слабо (рис. 3а, б), показывает заметно иные спектры КР (рис. 3в, г), чем в разломных тектонитах. Выяснилось, что УВ в этих образцах структурно гетерогенно. Спектры одной совокупности точек соответствуют турбостратному графиту, в котором отсутствует упорядоченность графеновых слоев относительно вертикальной оси (рис. 3в). Спектры другой совокупности точек (рис. 3г) близки к таковым для ранее изученных нами образцов шунгита [13] – модификации sp²-углерода, которой приписывают нанодисперсную структуру, включающую изогнутые фрагменты. При всей очевидной разнице структурных состояний УВ в разных участках образца общим является высокая интенсивность линии D, что свидетельствует о малых размерах кристаллитов.

В смежных с мраморами слюдистых сланцах, также подвергшихся углеродизации, обнаружены включения разупорядоченного гексагонального графита, в спектрах которого (рис. 4) интенсивность линии D, отвечающей за дефектность структуры, достаточно велика. Микро-картографирование показывает, что частицы графита неодинаковы по размеру, так как соотношение интенсивностей линий D и G (ID/IG), которое обычно обратно пропорционально величине частиц в графеновой плоскости, меняется от точки к точке. Линии в низкочастотной части спектра (рис. 4б) соответствуют другим минералам породы.

Рис. 4.

Спектры КР существенно слюдистых (а) и кварц-полевошпат-слюдистых (б) сланцев, свидетельствующие о присутствии графита с заметной степенью разупорядоченности в метатерригенных породах, обрамляющих мраморное поле (см. точку 4 на рис. 1в).

Интересно отметить, что спектр КР УВ в почерненных мраморизованных известняках с реликтами криноидей (точка 5 на рис. 1в) близок к спектрам шунгитов (см. рис. 3г), а спектры тонкополосчатых мраморов секущих разломных зон (точка 5 на рис. 1 в) соответствуют турбостратным графитам (наподобие рис. 3в) с признаками разноразмерности углеродных частиц.

ВЫВОДЫ

Таким образом, можно констатировать резкую гетерогенность структурных состояний sp²-углерода, выделившегося при разложении карбонатов в разрывных зонах, а также отчетливую направленность изменения структуры от аморфного углерода в исходных формах выделения через турбостратные состояния к высокой упорядоченности графита, преобладающего непосредственно в зоне подвижки. По нашему мнению, это может быть результатом температурно- и стресс-инициированной перестройки в условиях фрикционного разогрева, достигающего локально гораздо более высокого уровня, чем региональный метаморфический фон [13], в зонах сейсмогенных подвижек при дополнительном воздействии больших тангенциальных напряжений.