Литология и полезные ископаемые, 2021, № 2, стр. 184-190

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Авторами изучались геологическое строение и минералогические особенности линзы-2 Шулеповского месторождения. Каменный материал был отобран из керна пробуренных в 2018 г. поисковых скважин, которые прошли каолинитовый горизонт на глубинах от 14‒16 до 18‒21 м. Всего было опробовано 6 скважин и собрана представительная коллекция образцов из разных частей каолинитовой линзы и вмещающих пород. Образцы исследовались в Палеонтологическом институте РАН им. А.А. Борисяка с использованием электронных сканирующих микроскопов Tesscan Vega II и Vega III (оператор ‒ Е.А. Жегалло), с режимом HV – 20 Kv и BSE детекторами. Для анализа были взяты образцы из разных участков каолиновой линзы-2 (из верхней, средней и нижней частей). Исследование проводилось на свежих сколах образцов, размер каждого подготовленного для СЭМ образца 1 × 1 см.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам описания керна скважин был составлен сводный разрез (рис. 2). Верхняя часть разреза представлена флювиогляциальными четвертичными отложениями (до 5 м); ниже с резкой границей залегают бурые суглинки (2.5 м). Еще ниже, под отчетливо выраженной границей расположены пески, по данным гранулометрического анализа, относящиеся к континентальным фациям (неопубликованные материалы). Вниз по разрезу они сменяются бурыми глинами, которые, в свою очередь, переходят в белые каолинитовые глины (6 м). Границы горизонтов внутри нижнего 6-метрового интервала разреза постепенные. Количество песчаного материала в породах этого интервала с глубиной постепенно уменьшается, одновременно в них увеличивается содержание глинистого вещества, причем с определенной глубины глины становятся мономинеральными – каолинитовыми. Каолинитовые глины подстилаются переслаивающимися темно-бурыми глинами и песками, мощности отдельных слоев варьируют от 1 до 10 см. Между каолинитовыми глинами и подстилающей песчано-глинистой толщей граница резкая, хорошо прослеживается в керне изученных скважин, а в некоторых скважинах трассируется плотной, почти черной коркой (мощностью до 2 см) гидроокислов железа с микровключениями кварца.

Рис. 2.

Сводная колонка по скважинам. 1 – суглинки, 2 – пески, 3 – глины, 4 – подстилающие переслаивающиеся глины и пески. Цифры в кружочках соответствуют описанным горизонтам в тексте.

Линза-2 имеет вытянутую форму, с раздувами и пережимами; мощность каолинитового горизонта в среднем составляет 2 м. Верхняя граница линзы нечеткая, при переходе от линзы к перекрывающей толще в глинистых отложениях постепенно уменьшается количество каолинита и увеличивается содержание песчаного материала, вплоть до перехода в чистые пески. Нижняя граница линзы резкая. Макроскопически каолинитовый горизонт весьма однороден. Слагающая линзу каолинитовая глина белого цвета, жирная на ощупь. Местами в ней встречаются темно-серые участки и охристо-желтые зоны ожелезнения. Очень редко обнаруживаются включения черного (органического) материала в виде гнезд диаметром около 2 см, с оторочкой гидроокислов железа.

По данным СЭМ, в минералогическом составе линз выделяются: каолинит трех различных морфологических разновидностей; монтмориллонит; галлуазит двух морфологических разновидностей; иллит в виде сочлененных под углом 120° пластинчатых минеральных агрегатов; а также кварц.

Каолинит составляет около 80% объема линзы и представлен: 1) отдельными гексагонами размером до 5 мкм (в редких случаях – до 12 мкм); 2) слоистыми пленками, иногда с растущими из них в разные стороны гексагонами; размер отдельной пленки достигает 0.1 см (рис. 3а); 3) червеобразными выделениями полисинтетических двойников (в виде стопок), которые в отечественной литературе называют вермикулами каолинита [Бортников и др., 2016], размером до 15 мкм. Такие вермикулы бывают относительно прямыми, изгибающимися и иногда спирально закрученными (см. рис. 3б, д).

Рис. 3.

Формы минералов, слагающих каолинитовую линзу (СЭМ). а – “зрелая” пленка каолинита; б – прямые и изогнутые вермикулы каолинита; в – “молодые” пленки каолинита и трубчатый галлуазит; г – звездчатые выделения галлуазита на поверхности молодой пленки каолинита; д – спиралевидная вермикула; е – обломки кварца, сцементированные каолинитом. П – пленки, В – вермикулы, Г – галлуазит, К – кварц.

Все перечисленные формы каолинита встречаются во всех образцах, однако в разных горизонтах линзы соотношения этих форм различны.

В нижней части линзы основная масса состоит из отдельных гексагонов каолинита, часто с обломанными краями, скопления их образуют своеобразные “россыпи”. Гексагоны перемежаются с мелкими слоистыми пленками с неровными “рваными” краями. Пленки часто изогнуты, возможно, деформированы. Среди таких пленок и гексагонов встречаются редкие вермикулы небольшого размера (5‒8 мкм).

В средней части линзы доминирующее положение занимают пленки каолинита (см. рис. 3а), здесь они более крупные, многослойные и часто расшелушены. Вермикулы распространены шире, их размеры достигают 15 мкм, иногда они растут попарно. Отдельные гексагоны встречаются реже.

В верхней части линзы так же, как и в средней, пленки развиты крайне широко, однако они заметно тоньше и меньшего размера (100‒200 мкм). Наблюдаются в основном “молодые” пленки – плотные, с ровными, как бы “ограненными” краями (см. рис. 3в). Вермикулы также широко развиты, образуют прямые и закрученные в спирали агрегаты размером до 30 мкм. Закрученные вермикулы, вероятно, являются псевдоморфозами каолинита по органическим остаткам. Отдельные гексагоны встречаются значительно чаще, чем в средней части; так же, как и в нижней части, они формируют скопления в виде “россыпей”; размерность гексагонов может достигать 10‒12 мкм.

Помимо вышеупомянутых форм, обнаружены минеральные псевдоморфозы каолинита, развитые, предположительно, по бактериям и бактериальным пленкам. Стоит отметить, что подобный биоморфный каолинит обнаружен в нижней и в верхней частях линзы, тогда как в средней он отсутствует.

Монтмориллонит составляет около 20% объема линзы. Он был обнаружен В.А. Рассуловым и М.А. Богуславским [2019] при изучении огнеупорных глин методом оптической спектроскопии в диапазоне UV‒VIS‒NIR. Данные оптической спектроскопии не были подтверждены классическими аналитическими методами, поэтому оценить точность диагностики не представляется возможным. Полученный результат следует считать оценочным до тех пор, пока он не будет подтвержден рентгено-дифрактометрическими анализами. В ходе наших исследований в СЭМ монтмориллонит не был обнаружен.

Галлуазит присутствует во всех частях линзы, причем в направлении к верхней части линзы его количество значительно возрастает. Галлуазит встречается в двух основных формах: в виде трубчатых кристаллов размером от 2 до 20 мкм (см. рис. 3в) и в виде звездчатых агрегатов, растущих на поверхности каолинита (см. рис. 3г). Галлуазит распространен неравномерно, однако его общее количество и размеры кристаллов постепенно увеличиваются в направлении к верхней части линзы. Только в верхней части линзы формируются звездчатые агрегаты на поверхности “молодых” пленок каолинита.

Иллит обнаружен на разных интервалах каолинитовой линзы; он представлен сочлененными под углом 120° минеральными агрегатами, которые могут формировать как небольшие двойные и тройные сростки, так и вытянутые до 30 мкм “ленты”. Содержание иллита возрастает с глубиной: в верхней части линзы обнаружены единичные двойные и тройные сростки размером до 3‒4 мкм, однако в нижней части линзы содержание иллита достигает 5 об. %, и здесь он в основном формирует вытянутые “ленты” и цепочки. Иногда наблюдаются реликты иллита, сохранившиеся по краям вермикул каолинита.

Кварц составляет около 1% объема линзы; он представлен слабо окатанными обломками, часто с острыми краями, размером до 100 мкм (см. рис. 3е) и встречается исключительно в нижней части разреза линзы.

ОБСУЖДЕНИЕ

Как было показано выше, отдельные горизонты каолинитовой линзы различаются по соотношению основных минералов и формам их кристаллов. На основании этого можно выделить вертикальную зональность каолинитовой толщи. Для удобства описания зоны обозначены: зона 1 – нижняя часть линзы, зона 2 – средняя часть, зона 3 – верхняя часть линзы (рис. 4).

Рис. 4.

Разрез по скважинам 2‒6. 1 – верхние опесчаненные каолинитовые глины, 2 – каолинитовая линза, 3 – каолинитовая линза с обломками кварца, 4 – переслаивающиеся пески и глины; 5 – границы выделенных зон.

В зоне 1 присутствуют: кварц, разрозненные гексагоны каолинита, редкие мелкие вермикулы, мелкие пленки каолинита, редкие трубчатые кристаллы галлуазита, а также ленты и цепочки иллита. В зоне 2 распространены толстые и продолжительные пленки каолинита, встречаются отдельные гексагоны каолинита и увеличенные в размерах вермикулы, наблюдается большое количество трубчатого галлуазита, а также иллита в виде двойников, тройников и небольших “лент”. В зоне 3 присутствуют “молодые” пленки каолинита, редкие отдельные гексагоны, большое количество вермикул, и более значительное количество галлуазита в двух модификациях: в виде трубчатых кристаллов и звездчатых сростков, растущих на поверхности каолинитовых пленок. Согласно представлениям А.Д. Слукина, из звездчатых агрегатов галлуазита, по мере их роста и в результате последующей перекристаллизации, формируется новый слой каолинита внутри пленки [Слукин и др., 2015]. Иллит в зоне 3 присутствует только в виде некрупных двойных и тройных сростков.

Рассмотренная зональность наблюдается во всех скважинах. Характер границ между зонами постепенный. Выделенные зоны имеют мощность от 0.7 до 1.5 м в разных скважинах.

Ближайшим к Шулеповскому месторождением-аналогом является Латненское месторождение огнеупорных глин, расположенное в окрестностях г. Воронежа (см. рис. 1а, в). Они во многом похожи: на Латненском месторождении серия вытянутых каолинитовых линз залегает в аптских отложениях и приурочена к границе континентальных и прибрежно-морских фаций. Основная часть каолинита – аутигенная, хотя примесь терригенного каолинита также существенна. Исследователи Латненского месторождения считают, что накопление значительных количеств каолинита, возможно, происходило в результате переотложения материала из верхнедевонской мамонской свиты, содержащей первичный каолинит кор выветривания и прочие продукты разрушения силикатов. Такой материал перемывался и освобождался от кварца в процессе транспортировки реками, затем откладывался в застойных водных обстановках, где в присутствии большого количества органического вещества происходила перекристаллизация первичного каолинита и активно формировался аутигенный каолинит [Бортников и др., 2016].

Эта модель подтверждается и работами Д.Д. Котельникова, который наглядно продемонстрировал возможность формирования каолинитов и бокситов при переотложении материала кор выветривания в континентальных условиях. Он также указывал на важную роль органических соединений в химизме данного процесса [Котельников, 2012].

Формы нахождения каолинита (гексагоны, пленки, вермикулы) в линзах Шулеповского месторождения, их хорошая сохранность, а также присутствие обломочного материала исключительно в нижней части линзы вместе свидетельствуют об аутигенном образовании каолинита (по крайней мере, в средней и в верхней части линзы). Механизм его формирования пока не вполне ясен. В отличие от Латненского месторождения, каолинитовые линзы Шулеповского месторождения содержат существенно меньше органического вещества, а ближайшие отложения кор выветривания находятся в пределах Воронежской антеклизы, то есть более чем в 400 км к югу. Поэтому и возможный источник каолинитового материала остается спорным. Однако на основании установленной нами зональности можно рассмотреть несколько факторов, повлиявших на формирование линзы, а также обсудить их эволюцию. Во-первых, формирование каолинитовой линзы могло происходить только в водных условиях. В.Д. Келлером экспериментально доказано, что аутигенный каолинит формируется в присутствии воды, причем в застойных водах процесс происходит интенсивнее, особенно, в присутствии органики [Keller, 1953]. Во-вторых, обилие обломков кварца позволяет прийти к выводу о том, что нижний горизонт формировался в менее спокойных гидродинамических условиях. Обломки кварца плохо окатанные, что может свидетельствовать об относительно небольшом расстоянии до источника кварца и о незначительном времени его транспортировки. В-третьих, крупные размеры и хорошая сохранность пленок каолинита указывают на максимальную “зрелость” именно средней части линзы. Ограненные края каолинитовых пленок, характерные для зоны 3 и признаки роста звездчатых агрегатов галлуазита на их поверхностях свидетельствуют об активном формировании новых пленок каолинита, продолжавшемся вплоть до какого-то неблагоприятного события, произошедшего на сопредельной территории. В результате этого события рост новых кристаллов остановился.

Реконструкция источников сноса иллита вызывает отдельные сложности. Можно утверждать только то, что со временем его привнос на территорию современного расположения Шулеповского месторождения уменьшился. Иллит в континентальных условиях может формироваться путем гидратации и/или перетирания мусковита. М.Ф. Викулова считает, что формирование иллита максимально проявляется в континентальных условиях при холодном климате и pH < 8 [Викулова и др., 1973]. Согласно данным В.А. Дрица и А.Г. Коссовской, иллит в континентальных условиях активно формируется по мусковиту и серициту. Они также отметили, что в окислительной обстановке, при активном выносе кремния, биотит является наиболее вероятным источником для иллита [Дриц, Коссовская, 1991]. Выше были отмечены изменения содержания и форм нахождения иллита по разрезу каолинитовой линзы. С уменьшением количества иллита, растет упорядоченность структуры каолинита, что, вероятно, отражает изменения условий образования линзы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кратко резюмируя, можно выделить основные условия формирования исследованной нами каолинитовой линзы. Линза формировалась от нижних к верхним горизонтам, в водной среде, которая первоначально была динамически активна, но со временем становилась более спокойной, вплоть до развития застойных явлений (например, это могли быть меандры рек, которые отделялись от основного русла и заболачивались). Присутствие галлуазита (в данном случае, предшественника каолинита) на стенках каолинитовых пленок показывает, что в верхней части линзы активно формировался каолинит, но затем этот процесс резко прекратился. Возможно, основной причиной была активизация течений в водной массе, вместе с которыми в обстановку формирования каолинитовой линзы начал поступать обломочный материал, о чем свидетельствует песчаная примесь в глинистых отложениях верхней части линзы и в перекрывающих ее отложениях.