Записки Российского минералогического общества, 2020, T. 149, № 5, стр. 99-111

ГЕОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА

Озеро Усколь находится в Южно-Минусинской котловине в республике Хакасия вблизи г. Абакана (рис. 1). Выбор озера Усколь в качестве объекта исследования обусловлен его территориальным расположением в высоких широтах (53–54° с.ш.), характеризующихся контрастно выраженными изменениями солнечной активности и сезонными колебаниями температуры. Среднегодовая температура воздуха варьирует от +1.8 до –1.0°С. Минимальная температура (–43.8 °С) была зафиксирована в декабре 1966 г., а максимальная (+36.0 °С) в июле 1970 г. Климат данного района криоаридный, т.е. характеризуется засушливым, жарким летом и достаточно морозной зимой. Очень важной особенностью района являются активные эоловые процессы (скорость ветра до 20–30 м/с), которые способствуют переносу обломочного материала в котловину озера (Котельников и др., 2018).

Рис. 1.

Карта-схема территориального расположения озера Усколь с профилем отбора образцов. На врезке показано географическое расположение озера Усколь. Fig. 1. Map of location of the Uskol lake with a sampling profile. The sidebar shows the geographical location of the Uskol lake.

Морфологически озеро состоит из двух водоемов размерами 347 × 650 и 674 × 815 м, которые в периоды интенсивных осадков объединяются в одно озеро с пологими и заболоченными берегами. Глубина озера в отдельных участках достигает 3 м. Осадки озера Усколь представлены современными аллювиально-делювиальными глинами и илами с эоловой составляющей. Средняя скорость осадконакопления оценивается в 2 мм/год (Рогозин, 2018), что позволяет предполагать, что изученный разрез (до глубины 1 м), отражает геологическую историю на протяжении около 500 лет. В качестве источников осадочного материала рассматриваются как подстилающие, так и обрамляющие отложения самохвальской свиты (ранний карбон), представленные зелеными пепловыми туфами и песчаниками с небольшими прослоями известняков (Лучицкий, 1960; Зухс, 1966).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отбор проб. Материал для исследований отбирался в летний период 2018 года и в зимний период 2019 года сотрудниками Томского государственного университета. Пробоотбор проводился с использованием бура диаметром 12 см по профилю ЮЗ-СВ направления из пересыхающей части озера (по перемычке между двумя водоемами) (рис. 1). Точки отбора проб располагаются через 50 м друг от друга. В каждой из точек профиля отбиралось 10 проб от поверхности до глубины 1 м (через каждые 10 см). Ниже приводится обсуждение результатов исследования вертикального разреза в точках № 6.1, 6.2, 6.3. Точка 6.1 расположена на береговой линии водоема, точки 6.2 и 6.3 в 50 и 100 м от берега соответственно (рис. 1).

Диагностика минеральных фаз. Для диагностики минеральных фаз в озерных осадках использовался метод порошковой рентгенографии. Данный метод является информативным и рациональным для решения подобного рода задач (Соколова и др., 2005; Солотчина, 2009; Boroznovskaya et al., 2017; Khrushcheva, Nebera, 2019).

Необходимую для диагностики глинистых компонентов фракцию размером 10 мкм получали путем осаждения исходного материала в дистиллированной воде. Время осаждения рассчитывали по формуле Стокса (Соколова и др., 2005). Из полученной тонкой фракции готовили ориентированные препараты с целью увеличения интенсивности базальных отражений типа 001.

Для более достоверной диагностики ориентированные препараты подвергали насыщению парами этиленгликоля в эксикаторе в течение 24 ч и/или прокаливанию в муфельной печи при температуре 550 °С в течение 2 ч.

Измерения проводили в ЦКП “Аналитический центр геохимии природных систем” Томского государственного университета на рентгеновском дифрактометре XPert PRO MRD (изготовитель PANalytical). Условия съемки: 40 кВ, 30 mA, Cu излучение, Ni фильтр, диапазон измерений 3–60° 2Θ. Расшифровку дифрактограмм проводили с использованием программного обеспечения HighScore и базы данных PDF-4 Minerals 2020 (PDF-4, 2020).

Моделирование дифракционных профилей глинистых минералов осуществляли с использованием функции Пирсона VII (Солотчина, 2009) по программе Fityk (Wojdyr, 2010), с помощью данной функции осуществляли разложение сложных дифракционных профилей. Функция Пирсона VII является оптимальной функцией для описания рентгеновского профиля изучаемых фаз, так как позволяет учитывать как размер частиц, так и дефекты упаковки, характерные для глинистых минералов (Солотчина, 2009).

Определение элементного состава осадков. Определение концентрации элементов выполнялось посредством атомно-эмиссионного спектрального анализа на приборе iCAP 7400 Duo фирмы “Termo Fisher Scientific” (США) в ЦКП “Аналитический центр геохимии природных систем” Томского государственного университета.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По данным рентгеновского исследования содержание глинистых минералов в пробах варьирует от 30 до 50%, в зависимости от глубины отбора образца и удаленности от береговой линии.

Глинистые минералы представлены монтмориллонитом с натриевым и кальций-магниевым катионами, а также иллитом. Помимо глинистых минералов в осадках озера установлены в существенных количествах кварц SiO₂, анальцим Na[AlSi₂O₆] ⋅ H₂O и альбит NaAlSi₃O₈, в заметных количествах – кальцит CaCO₃ и в ничтожно малых количествах – санидин KAlSi₃O₈, гипс CaSO₄ ⋅ 2H₂O и галит NaCl (табл. 1) (Khrushcheva, Nebera, 2019).

Из сопоставления данных табл. 1 и 2 можно видеть, что магний присутствует исключительно в составе монтмориллонита. Содержание натрия и кальция отмечается как в составе глинистого компонента, так и в составе прочих минералов. С учетом количественной доли минералов, бóльшая часть натрия концентрируется в анальциме и альбите, незначительная – в галите. Кальций, в основном, накапливается в кальците, реже в гипсе. Основная доля калия приходится на иллит, подчиненная – на санидин.

Монтмориллонит. Монтмориллонит в осадках озера Усколь представлен двумя разновидностями: натриевой (Na,Ca)_0.33(Al,Mg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂ и кальций-магниевой (Ca,Mg)_0.33(AlMg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂. Содержание Na₂O в осадках варьирует от 2.18 до 5.12 мас. %, CaO – от 0.48 до 8.57 мас. % и MgO – от 1.56 до 2.98 мас. % (табл. 2).

Рентгенографически монтмориллонит установлен по серии рефлексов hkl (d, Å_{интенсивность}): 001 (14.28–12.13₁₀), 020 (4.49₂) и $\bar {1}31$(2.57₁).

Основной диагностический признак монтмориллонита заключается в смещении рефлекса 001 в область малых углов 2Θ, то есть в увеличении соответствующего межплоскостного расстояния (14.28–12.13 Å → 16.54 Å) после насыщения образца парами этиленгликоля (рис. 2). Смещение обусловлено увеличением параметра с кристаллической структуры за счет внедрения в ее межслоевой промежуток органических молекул этиленгликоля – двухатомного спирта С₂Н₄(ОН)₂ (Франк-Каменецкий и др., 1983).

Рис. 2.

Пример дифрактограмм образцов глинистой фракции (образец 6.1., глубина отбора 50–60 см), снятых в воздушно-сухом состоянии (1), после насыщения этиленгликолем (2) и после прокаливания (3). Fig. 2. Example of diffraction patterns of clay fraction samples (sample 6.1., sampling depth 50–60 cm), taken in an air-dry state (1), after saturation with ethylene glycol (2) and after calcination (3).

После прогревания образца при температуре 550 °С межплоскостное расстояние сокращается до 9.87 Å (рис. 2), так как кристаллическая структура сжимается за счет удаления из нее межслоевой воды.

На наличие натриевого катиона в межслоевом промежутке монтмориллонита указывает положение первого базального пика 001 (d = 12.13 Å), в то время как у монтмориллонита с кальциевым и магниевым катионами положение этого рефлекса отвечает межплоскостному расстоянию 14.28 Å (Дриц, Коссовская, 1990; Франк-Каменецкий и др., 1983). Особенность положения этих рефлексов объясняется различным составом поглощенного комплекса, а именно, – отношением кальция, магния и натрия, а также различным содержанием в монтмориллоните связанной воды (Дриц, Коссовская, 1990).

На дифрактограмме (рис. 2) видно, что пик в области 14.28–12.13 Å характеризуется уширением, это указывает на наличие в осадках как натрийсодержащего, так и кальций-магниевого монтмориллонита.

Иллит. В данной работе использовался термин “иллит”, который, согласно рекомендациям Номенклатурного комитета, подразумевает групповое название всех слюдистых минералов, в которых количество разбухающих смектитовых слоев не превышает 15% (Bailey et al., 1984). Иллит в изученных породах является основным концентратором K₂O, содержание которого меняется от 1.61 до 3.29 мас. %.

Рентгеновская диагностика иллита проведена по характерному набору рефлексов hkl (d, Å_{интенсивность}): 002 (9.91₁₀), 004 (4.99₄), 006 (3.35₁₀), 00 10 (1.98₄). При прокаливании и насыщении образца этиленгликолем межплоскостные расстояния не меняются из-за прочной, стабильной решетки иллита, не способной к межпакетной адсорбции воды (Соколова и др., 2005).

Рис. 3.

Пример разложения сложного дифракционного профиля на индивидуальные пики на дифрактограмме глинистой фракции: до разложения (1), в виде суммы трех фаз (2), кальций-магниевый монтмориллонит (3), натриевый монтмориллонит (4), иллит (5). Fig. 3. An example of the decomposition of a complex diffraction profile into individual peaks in the diffraction pattern of a clay fraction: before decomposition (1), as the sum of three phases (2), calcium-magnesium montmorillonite (3), sodium montmorillonite (4), illite (5).

Точная диагностика всех присутствующих в осадках глинистых фаз проведена с помощью моделирования сложных дифракционных профилей функцией Пирсона VII. Для определения точного положения рефлекса и интенсивности его дифракционной линии 00l сложные дифракционные профили раскладывались на несколько индивидуальных пиков – такая процедура позволила получить количественное соотношение глинистых фаз в осадках.

Проведенные исследования показали наличие в составе глинистого компонента иллита и двух модификаций монтмориллонита – с кальций-магниевым и натриевым катионами в межслоевом промежутке (табл. 3).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В ранее опубликованных работах по донным осадкам соседнего озера Талое (Хрущева и др., 2019) было установлено, что питание минерализованных озер данного района осуществляется преимущественно щелочными (pH = 8–9) подземными водами хлоридного состава, обогащенными натрием, магнием и кальцием.

Глинистые минералы осадков озера Усколь – типичные эпигенетические минералы, которые образовались под влиянием щелочных озерных вод. Согласно классическим представлениям (Дриц, 1990; Плюснина, 2011), преобразование монтмориллонита протекает по следующей схеме: на начальных этапах образования монтмориллонита отмечается фиксация в межпакетном пространстве Mg⁺ и Na⁺. Они могут присутствовать в ионном растворе при широких значениях pH. В осадках озера Усколь наблюдается четкая зависимость (коэффициент корреляции Пирсона r равен 0.83, 0.95 и 0.96) содержания Mg⁺ от концентрации кальций-магниевого монтмориллонита (рис. 4).

Рис. 4.

Зависимость содержания магния в осадках от содержания кальций-магниевого монтмориллонита: красные квадратики – точка отбора 6.1, зеленые – 6.2, синие – 6.3. Fig. 4. Dependence of magnesium content in sediments and calcium-magnesium montmorillonite mode: red squares – sampling point 6.1, green – 6.2, blue – 6.3.

Далее Mg⁺ и Na⁺ перемещаются в октаэдрические позиции и их место занимает К⁺. Этот процесс обусловливает уход Al из октаэдрических позиций и внедрение в тетраэдрические позиции Al³⁺, и как следствие, образование кристаллической структуры иллита.

Образование монтмориллонита в осадках озера Усколь, наиболее вероятно, связано с разложением в щелочной среде озера полевых шпатов и цеолита, входящих в состав подстилающих горных пород. Полевые шпаты представлены преимущественно альбитом (до 30%), в меньшей степени калиевым полевым шпатом – санидином (до 2%). В целом накопления полевых шпатов не наблюдается, но стоит отметить их повышенную концентрацию в точке отбора 6.2 на глубине 30–100 см. Цеолит встречается в виде анальцима, содержание которого доходит до 20% (табл. 1). В точках отбора 6.2 и 6.3 отмечается преобладание анальцима в верхней части разрезов (до 30 см), в точке отбора 6.1 цеолит накапливался достаточно равномерно по всей глубине.

Под воздействием щелочных озерных вод и обилия К⁺ монтмориллонит претерпевает эволюцию через смешанослойные образования иллит-монтмориллонитового ряда в иллит. Как следствие, количество монтмориллонита постепенно сокращается за счет присоединения К⁺ из подстилающих пород и растворов.

Из данных табл. 2 и 3 видно, что содержание К⁺ в осадках четко коррелирует с концентрациями иллита (коэффициент корреляции равен 0.98, 0.77 и 0.93) (рис. 5).

Рис. 5.

Зависимость содержания калия в осадках от содержания иллита: красные квадратики – точка отбора 6.1, зеленые – 6.2, синие – 6.3. Fig. 5. Dependence of potassium content in sediments and illite mode: red squares – sampling point 6.1, green – 6.2, blue – 6.3.

Поскольку среда минералообразования в осадках озера Усколь преимущественно щелочная, было рассмотрено распределение щелочных и щелочноземельных элементов в разрезе. Основные минеральные фазы, в которых они встречаются – глинистые минералы. Для щелочных элементов установлена тенденция возрастания доли К⁺ с глубиной и, соответственно, уменьшения доли Na⁺ (рис. 6). Геохимические данные подтверждаются минералогическими: в интервале 30–100 см отмечается увеличение содержания иллита и уменьшение – натрийсодержащего монтмориллонита (табл. 3). Для щелочноземельных элементов наблюдается закономерность накопления в нижних частях разреза Mg²⁺ (рис. 6), в то время как Ca²⁺ накапливается преимущественно на поверхности и до глубины 50 см. Минералогически это находит подтверждение в накоплении в нижних частях разрезов кальций-магниевого монтмориллонита (до 70% от глинистого компонента).

Рис. 6.

Распределение доли калия (1) и магния (2) в разрезах осадков озера Усколь: красная линия – точка отбора 6.1, зеленая – 6.2, синяя – 6.3. Fig. 6. Distribution of fractions of potassium (1) and magnesium (2) in sections of sediments of the Lake Uskol: red line – sampling point 6.1, green – 6.2, blue – 6.3.

Нужно подчеркнуть, что глинистые минералы озерных отложений являются отличными индикаторами климатических и гидрохимических условий осадконакопления (Акульшина, 1976; Дриц, Коссовская, 1990; Зхус, 1966). Для определения данных условий следует учитывать основные факторы образования осадка – мобилизацию, перенос, аккумуляцию и преобразование материала.

По полученной ассоциации глинистых минералов можно предположить, что формирование осадков происходило в условиях аридного климата. На это указывает преобладание в отложениях монтмориллонита и иллита, а также отсутствие каолинита (Зхус, 1966). Стоит отметить, что в осадках озера Усколь не обнаружен палыгорскит, который выступает в качестве типичного индикатора аридного климата. Его отсутствие позволяет предположить, что аридный режим во время осадкообразования был недостаточно выражен. Учитывая современные климатические особенности территории, а именно жаркое, засушливое лето и достаточно морозную зиму, можно заключить, что осадки, формировавшиеся последние 500 лет, образовались в условиях криоаридного климата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненного исследования позволили установить, что глинистый компонент осадков озера Усколь представлен эпигенетически образованными минералами: кальций-магниевым и натрийсодержащим монтмориллонитом, а также иллитом. В разрезах наблюдается закономерное увеличение содержаний иллита и кальций-магниевого монтмориллонита в нижних частях разрезов и, соответственно, уменьшения концентраций натрийсодержащего монтмориллонита. Можно полагать, что монтмориллонит образовался вследствие разрушения полевых шпатов и анальцима. Далее в условиях щелочной среды озера монтмориллонит эволюционировал через ряды смешаннослойных образований в иллит.

Учитывая данные особенности минералообразования и скорость накопления осадков, можно предположить, что в течение последних 500 лет осадконакопление происходило в условиях криоаридного климата.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90056.

Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR, project number 19-35-90056.