Russian Federation
Syktyvkar, Syktyvkar, Russian Federation
The typomorphic features and chemical composition of chromespinelides from the Quaternary aquatic sediments of the Keltmin Buried Canyon in the southeastern Komi Republic have been studied for the first time. It has been established that the chromespinelides are characterized by predominantly rounded and octahedral grain shapes with pronounced traces of mechanical surface wear and signs of corrosion. Chemically, the grain cores are composed predominantly of aluminochromites, chrompicotites, chromites, and subferrialuminochromites, while the outer rims are composed of more ferrous varieties (subferrichromites and subalumoferrichromites), indicating postmagmatic alteration of the chromespinelides. Microinclusions of chlorites, plagioclases, amphiboles, and pyroxenes have been detected. The study results indicate a connection between chromespinels and ultramafic rocks of the Alpine-type massifs of the Polar Urals. Their transport and redeposition in the aquatic formations of the Keltmin Trough are largely related to the exaration activity of the glacier. The obtained data are consistent with our previously published study of the composition of aquatic sediments of the buried canyon, which indicate the involvement of Ural igneous and metamorphic complexes in the formation of these sediments, as well as the possibility of the supply of detrital material to the Keltmin Trough from ophiolite association rocks of ultramafic massifs of the Polar and Subpolar Urals.
mineral composition, burial canyon, through valley, fluvioglacial deposits, alluvium, chromespinels, typomorphism, provenance source
Введение
Кельтминская ложбина является объектом интенсивных исследований начиная с середины прошлого века, когда в рельефе дочетвертичных пород на водоразделе рек Северной и Южной Кельтмы был обнаружен глубокий погребённый каньон (Яковлев, 1956). Эти исследования проводились для выяснения пространственно-временного развития Печоро-Вычегдско-Камского водораздела и установления источников сноса обломочного материала для образования четвертичных отложений Кельтминской долины. С. А. Яковлев, изучив состав гальки из флювиогляциального галечника в основании каньона, предположил, что четвертичные отложения, заполняющие его, образовались исключительно за счет новоземельских пород в результате стока вод в юго-восточном направлении в сторону Камы. При этом поступление обломочного материала с Урала и Фенноскандинавии исключалось.
При повторном вскрытии этого каньона в 2017 году скважиной № 17843 отложения были проанализированы гранулометрическим и палинологическим методами с целью генетического и стратиграфического расчленения четвертичной толщи.
Для определения местоположений источников сноса терригенного материала при формировании отложений квартера нами впервые было проведено изучение минерального состава тяжелой фракции осадков, слагающих Кельтминский каньон. В результате установлены количественные содержания некоторых тяжелых минералов, не вполне типичные для четвертичных отложений (Андреичева и др., 2021). Выявлены высокие концентрации магнетита (до 42 %), ильменита (до 24 %) и хромшпинелидов (до 8 %), тогда как обычными для четвертичных образований являются содержания магнетита на уровне первых процентов либо еще меньше, количество хромшпинелидов составляет доли процента до единичных знаков, максимальные содержания ильменита редко достигают 10—11 %.
На основании полученных данных сделано предположение о поступлении материала в процессе формирования четвертичных осадков с Урала (Андреичева и др., 2021). Повышенные содержания магнетита могли быть обусловлены поступлением его из магматических пород и метаморфизованных серпентинизированных ультрабазитов. Хромшпинелиды, вероятно, связаны с породами офиолитовой ассоциации Полярного и Приполярного Урала (Макеев, 1992; Макеев, Брянчанинова, 1999; Савельева, 1987). Ильменит — характерный минерал Северо-Восточной терригенно-минералогической провинции, в которую входят Новая Земля, Пай-Хой, Полярный и Приполярный Урал; образуется на последней стадии кристаллизации магматических пород основного и щелочного состава.
Однако полученные нами результаты изучения минерального состава тяжелой фракции четвертичных отложений не согласуются с выводами С. А. Яковлева, сделанными на основе изучения петрографического состава гальки. В этой связи было принято решение провести исследование типоморфных особенностей и химического состава хромшпинелидов, которые являются наиболее распространёнными типоморфными минералами магматогенного минералообразования и связаны главным образом с ультраосновными и основными породами. Повышенный интерес к изучению хромшпинелидов определяется возможностью использования их типоморфных особенностей и химического состава для выявления связи хромшпинелидов с гипербазитовыми комплексами. Состав, свойства и типоморфные особенности хромшпинелидов изучались и изучаются многочисленными исследователями не только на Полярном, Приполярном и Среднем Урале, но и на Тимане (Макеев, 1985; Макеев и др., 1992; Осовецкий, 2001; Глухов и др., 2015, 2021; Бадида и др., 2020). По этой причине имеется возможность сопоставить полученные нами результаты изучения хромшпинелидов с уже имеющимися опубликованными данными.
Таким образом, целью настоящих исследований является изучение типоморфных особенностей и химического состава хромшпинелидов из аквальных осадков скв. 17843 для установления источника сноса обломочного материала при формировании неоплейстоценовых отложений Кельтминской ложбины.
Материал и методы исследований
Скважина 17843 пробурена в центральной части Кельтминской ложбины, в 5.7 км севернее дер. Канава Усть-Куломского района Республики Коми (рис. 1).
Изучение литологического состава отложений и выполненное на их основе фациальное расчленение 44-метровой толщи аквальных осадков, слагающих разрез скважины, были проведены нами ранее (Андреичева и др., 2021). По мнению А. В. Панина с коллегами, накопление отложений в скв. 17843 происходило в среднем и позднем неоплейстоцене (Панин и др., 2019; Panin et al., 2020).
В основании разреза, в интервале глубин 43.2—27.0 м, залегают флювиогляциальные тонко- и мелкозернистые буровато-серые пески, переходящие вверх по разрезу в темно- и коричневато-серые глинистые алевриты с маломощными прослоями глин, супесей и мелкозернистых песков. Суммарная мощность флювиогляциальной пачки составляет 16.2 м.
Выше, в интервале глубин 25.9—23.6 м, вскрыта плотная слабосортированная тёмно-серая с коричневым оттенком алевритистая глина без включений крупнообломочного материала мощностью 2.3 м неясного генезиса.
Верхние 22 м представлены аллювием — хорошо сортированным средне- и мелкозернистым песком.
Минералогический анализ 18 образцов песков, алевритов и глин выполнен по методике М. Ф. Викуловой (1957). Двухсотграммовая навеска осадка подвергалась мокрому рассеву на ситах с выделением мелкопесчаной фракции 0.25—0.1 мм и дальнейшему разделению полученного материала в тяжелой жидкости «Бромоформ», магнитной сепарации, взвешиванию и изучению под бинокулярным микроскопом. Зёрна хромшпинелидов отобраны из навесок тяжелой фракции осадков, накопление которых происходило в разных седиментационных обстановках.
Изучение морфологии и химического состава хромшпинелидов проведено на сканирующем электронном микроскопе «Tescan VEGA 3 LMN» с энергодисперсионным спектрометром INCA Energy 450 при ЦКП «Геонаука» ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН при рабочем напряжении 20 kV (аналитик Е. М. Тропников). Всего выполнено 193 анализа химического состава хромшпинелидов и 17 определений состава включений, присутствующих в зернах.
Результаты исследований
Встречаемость в разрезе
Распределение хромшпинелидов в аквальных отложениях скв. 17843 Кельтминской ложбины имеет ряд особенностей.
Наименьшие содержания хромшпинелидов (от 0.3 до 5 %) наблюдаются в плотной слабосортированной алевритистой глине неясного генезиса и во флювиогляциальных тонко- и мелкозернистых буровато-серых песках, а также глинистых алевритах (0.4—5.5 %). Более высокая концентрация хромшпинелидов (от 1.8 до 8.3 %) характерна для желтовато- и серо-коричневых, средне- и мелкозернистых хорошо сортированных аллювиальных песков (рис. 2).
Морфология зёрен
Хромшпинелиды в тяжелой фракции аквальных отложений Кельтминского погребенного каньона представлены тремя основными морфологическими типами зёрен и характеризуются черной и коричнево-черной окраской со смолистым блеском.
Наиболее распространённой разновидностью (49 % общего количества изученных индивидов) являются зёрна округлой формы (рис. 3, a, b). Вторая по распространённости группа (28 %) представлена угловатыми обломками (рис. 3, c, d), характеризующимися различной степенью окатанности. Самой редкой морфологической разновидностью являются кристаллы октаэдрического габитуса (рис. 3, e, f) с притуплёнными рёбрами и вершинами, доля которых в выборке составляет 23 %.
Значительная часть зерен хромшпинелидов (до 76 %) характеризуется признаками механического воздействия, которое проявляется в виде абразивного сглаживания исходных кристаллографических граней и ребер (рис. 3, b, e), а также развития на поверхности микрорельефа выбоин и каверн (рис. 3, a—e).
Характерной особенностью части изученных индивидов (25 %) является наличие ярко выраженного коррозионного рельефа поверхности. Наиболее интенсивные коррозионные изменения локализованы преимущественно в зонах ребер и вершин кристаллов (рис. 3, e), где они проявляются в виде хорошо развитых каверн размером от 3 до 34 мкм. На гранях индивидов коррозионные процессы выражены значительно слабее и представлены преимущественно поверхностным матированием. Коррозионные изменения полностью отсутствуют лишь в зонах сколов (рис. 3, c, d), которые характеризуются ровными раковистыми изломами и острыми кромками, образовавшимися, вероятно, в процессе механической транспортировки минеральных зерен.
Внутреннее строение
Детальные исследования хромшпинелидов на сканирующем электронном микроскопе позволили выделить ряд существенных различий в морфологии зёрен.
Значительная доля индивидов характеризуется однородным гомогенным строением с небольшими малоконтрастными различиями на их внутренних и внешних участках (рис. 4, a, b). Незначительное количество зёрен (13 %) имеют зональное строение за счёт ярко выраженных каём (рис. 4, c, d). В режиме обратнорассеянных электронов данные каймы отличаются более светлым тоном, имеют контрастные и резкие границы, а их ширина варьирует от 5 до 15 мкм. Следует отметить, что незначительная часть минеральных зёрен покрыта многочисленными трещинами (рис. 4, e, f). До 5 % всех зерен хромшпинелидов содержат включения иных минеральных фаз (рис. 4, g, h).
Химический состав
Хромшпинелиды в тяжелой фракции аквальных отложений, вскрытых скв. 17843, демонстрируют значительные вариации содержаний основных химических компонентов (табл. 1).
Согласно классификации хромшпинелидов Н. В. Павлова (1949), центральные части зёрен этого минерала в отложениях Кельтминской ложбины представлены преимущественно алюмохромитами (41 %), хромпикотитами (18 %), хромитами (16 %) и субферриалюмохромитами (15 %). В редких случаях (рис. 5) — субферрихромитами (5 %), субферрихромпикотитами (3 %), ферриалюмохромитами (2 %).
В центральных частях зерен хромшпинелидов наиболее характерной изоморфной примесью вляется V2O3, который установлен в 86 % всей выборки зерен при содержании 0.15—0.58 мас. %. Второй по распространенности компонент (65 %) — MnO, количество которого варьирует от 0.18 до 2.09 мас. %. TiO2 встречается реже, составляя менее половины выборки (0.11—1.67 мас. %). Подчиненную роль играют оксиды цинка, никеля и кобальта: ZnO установлен лишь в 11.7 % случаев при концентрациях от 0.22 до 0.69 мас. %; NiO встречается в 1.85 % зерен и в среднем составляет 0.27 мас. %; CoO фиксируется в редких случаях (0.6 % выборки), его содержание не превышает 0.47 мас. %.
Внешние оторочки зерен соответствуют составам субферрихромитов (37 %), субалюмоферрихромитов (25 %), феррихромитов (14 %), хромитов (9 %), ферриалюмохромитов (7 %), феррихромитов (4 %) и хроммагнетитов (4 %).
Химический состав корродированных участков, развитых преимущественно по внешним границам зёрен и трещинам (рис. 4, с, d), характеризуется обогащением FeO при одновременном выносе Al2O3, Cr2O3 и MgO (табл. 1). Подобные изменения характерны для хромшпинелидов, подвергшихся воздействию флюидов и гидротермальных растворов в зонах серпентинизации и других вторичных преобразований ультрабазитов (Макеев, 1992).
В краевых участках зерен выявлен иной характер распределения изоморфных примесей. Наиболее распространённым примесным компонентом является MnO, установленный в 93 % исследованных зерен с содержанием от 0.3 до 9.8 мас. %. V2O3 отмечается реже — в 74 % зерен, его концентрация составляет 0.16—0.46 мас. %. TiO2 установлен в 70 % зерен при содержании 0.11—0.93 мас. %, редко достигая 1.61 мас. %.
Химический состав внешних каём характеризуется существенным увеличением частоты встречаемости и концентраций оксидов цинка и никеля. Присутствие ZnO фиксируется в 43 % зерен и составляет 0.36—1.24 мас. %. NiO содержится в 10 % зерен, средняя концентрация его не превышает 0.38 мас. %. Кроме того, в составе 16 % зерен выявлено присутствие SiO2 (от 0.26 до 1.1 мас. %).
Микровключения
В 4 % зёрен всей выборки хромшпинелидов из отложений Кельтминского погребенного каньона установлены микровключения посторонних минеральных фаз.
Наиболее распространённой минеральной фазой являются минералы группы хлорита (рис. 4, a, b, e), развитые по микротрещинам и границам зёрен хромшпинелидов в виде изометричных и пластинчатых включений размером от 5 до 36 мкм. Для отмеченных хлоритов характерен широкий диапазон изменчивости химического состава (мас. %): SiO2 — 26.56—42.33; Al2O3 — 12.03—19.43; MgO — 17.98—31.25; FeO — 1.4—13.47; Cr2O3 — 1.92—9.98 (табл. 2). Примерно в половине анализов установлен TiO2 (0.87—2.03 мас. %). В единичных зернах обнаружены примеси CaO (0.17—0.68 мас. %) и K2O (0.19—0.23 мас. %). Вероятно, формирование хлорита связанно с гидротермальным преобразованием хромшпинелидов.
В одном из зёрен хромшпинелидов установлено пять расплавных включений изометричной формы размером от 10 до 33 мкм, представленых игольчатыми и столбчатыми кристаллами амфибола, пространства между которыми заполнены плагиоклазом (рис. 4, d).
Пироксеновые включения имеют размер до 18 мкм и представлены удлинённо-призматическими и изометричными кристаллами (рис. 4, c, e) с содержаниями SiO2 до 59.88 %, MgO — 17.78—31.28 %, CaO — от 0.29 до 22.17 %, Al2O3 и FeO — менее 3.28 и 2.2 % соответственно.
Среди микровключений установлено единичное зерно граната (рис. 4, f) с повышенной примесью Cr2O (до 13.37 мас. %).
Обсуждение результатов исследований
Проведённое изучение типоморфизма и химического состава хромшпинелидов из аквальных отложений Кельтминского погребённого каньона позволило выявить ряд их особенностей, имеющих важное значение для определения источника сноса обломочного материала.
Значительная доля всех зерен хромшпинелидов имеют округлую или угловатую форму, в то время как кристаллы с чётко выраженным октаэдрическим габитусом встречаются значительно реже. Такое распределение морфологических типов свидетельствует о механической переработке минеральных зерен, образовавшихся в условиях массивных рудных тел, где срастание минеральных зёрен происходило в условиях ограниченного пространства.
Хромшпинелиды в изученных отложениях представлены преимущественно алюмохромитами, хромпикотитами, хромитами и субферриалюмохромитами, что указывает на их связь с ультраосновными породами. Наличие зональных структур с феррихромитовыми и субферрихромитовыми каймами, а также корродированные участки, обогащённые FeO, свидетельствуют о постмагматических изменениях, вероятно связанных с гидротермальными процессами.
Подавляющая часть фигуративных точек состава центральных частей зерен хромшпинелидов на классификационной диаграмме (Al3+–Cr3+–Fe3+) Н. В. Павлова (1949) последовательно и без перерывов занимают все области хромпикотита, алюмохромита и верхнюю часть области хромита (рис. 5), что характерно для первичных рудообразующих хромшпинелидов альпинотипных массивов.
Фигуративные точки внешних оторочек зерен представлены меньшим количеством и располагаются в более железистых областях классификационной диаграммы (рис. 5), что может быть связано с метаморфизованными или серпентинизированными ультрабазитами.
Обнаруженные микровключения хлоритов, плагиоклазов, амфиболов и пироксенов могут свидетельствовать о гидротермальных изменениях и ассимиляции корового материала магмой при кристаллизации зерен хромшпинелидов.
Сопоставление химического состава и типоморфных особенностей хромшпинелидов из четвертичных отложений Кельтминского погребённого каньона с материалами А. Б. Макеева по ультрабазитам Полярного Урала (Макеев, 1992; Макеев, Брянчанинова, 1999) показывает их значительное сходство. Однако в некоторых зернах хромшпинелидов нами обнаружены более высокие содержания FeO, что может свидетельствовать о контаминации минеральными зернами иного источника сноса. Высокая миграционная способность и относительная устойчивость хромовых шпинелей в гипергенных условиях (Кухаренко, 1961) способствует их многократному переотложению из рудных источников и промежуточных коллекторов в конечные седиментационные бассейны. Данный факт предопределяет возможную полигенность и полихронность хромшпинелидов из отложений, вскрытых в скв. 17843.
Отдельные выходы нижнепалеозойских ультрабазитов встречаются также на Северном Урале (Государственная …, 2005). Наиболее крупным из них является салатимский комплекс, в состав которого входят гарцбургиты, дуниты и дунит-гарцбургиты среднего ордовика (Пестрецов и др., 1988) с мелкими разрозненными шлирообразными телами хромитов, представленных железистыми алюмохромитами. На данном этапе исследований не представляется возможным достоверно исключить привнос материала в Кельтминскую долину с Северного Урала из-за недостатка фактического материала.
Экзарационная деятельность ледника способствовала разрушению коренных выходов ультрабазитов Полярного Урала и транспортировке осадочного материала. Аккумуляция флювиогляциальных тонко- и мелкозернистых серо-коричневых песков и глинистых алевритов происходила в прифронтальной зоне вычегодского ледникового щита, граница максимального распространения которого расположена в 120 км севернее исследуемой скважины (Андреичева и др., 2015).
В результате последующего врезания русла р. Северная Кельтма произошло переотложение исследуемых хромшпинелидов из флювиогляциальных осадков в аллювий.
Заключение
На основании проведённых исследований типоморфизма и химического состава хромшпинелидов из аквальных отложений Кельтминского погребённого каньона установлена их несомненная связь со среднеордовикскими ультрабазитами Полярного Урала, что не подтверждает мнение С. А. Яковлева (1966), связавшего их формирование с Новой Землей и исключившего поступление обломочного материала с Урала. Выявлены также признаки постмагматических изменений хромшпинелидов, обусловленные гидротермальными процессами и гипергенным преобразованием.
Морфология и состав хромшпинелидов указывают на их формирование в условиях массивных рудных залежей с последующей транспортировкой и переотложением. Преобладание алюмохромитов, хромпикотитов и хромитов, а также наличие зональных структур и корродированных участков, возможно, свидетельствуют о гидротермальном воздействии.
Высокохромистые разности соответствуют дунитам и гарцбургитам, тогда как повышенные концентрации FeO могут быть связаны с серпентинизацией и метаморфизмом ультрабазитов. Сравнение с ультрабазитами Полярного Урала выявило значительное сходство, однако более высокие содержания FeO в отдельных зернах могут указывать на дополнительный источник сноса.
Экзарационная деятельность и последующая деградация ледникового покрова обусловили транспортировку и переотложение материала, включая хромшпинелиды, в аллювиальные отложения. Вопрос о возможной полигенности хромшпинелидов остаётся открытым из-за потенциального влияния других ультрабазитовых массивов Урала.
Дальнейшие комплексные исследования минеральных парагенезисов хромовых шпинелей из аквальных отложений Печоро-Вычегдско-Камского водораздела помогут восстановить палеогеографические обстановки формирования четвертичных отложений в Кельтминском каньоне.
1. Andreicheva L. N., Marchenko-Vagapova T. I., Buravskaya M. N., Golubeva Yu. V. Natural environment of the Neopleistocene and Holocene of the European North-East of Russia. Moscow: GEOS, 2015, 224 p. (in Russian)
2. Andreicheva L. N., Marchenko-Vagapova T. I., Isakov V. A. Structure, composition and conditions of formation of quaternary deposits in the Keltmin buried canyon (southeast of the Komi Republic). Vestnik of Geosciences, 2021, No. 5 (317), pp. 27—36. (in Russian)
3. Badida L. V., Maslov A. V., Mizens G. A. Reconstruction of the composition of rocks of feeder provinces. Article 3. Modern methods for studying heavy detrital minerals (garnets, tourmalines, chrome-spinelides, rutile, etc.). Lithosphere, 2020, V. 20, No. 2, pp. 149—167. (in Russian)
4. Vikulova M. F. General characteristics of clays. Methodological guide to petrographic-mineralogical study of clays. Moscow: Gosgeoltekhizdat, 1957, pp. 7—90. (in Russian)
5. Glukhov Yu. V., Makeev B. A., Varlamov D. A., Shevchuk S. S., Isaenko S. I. Chrome spinels with zinc-containing epigenetic rims from Devonian conglobreccia horizons of the Ichetyu placer occurrence (Middle Timan). Lithosphere, 2015, No. 2, pp. 103—120. (in Russian)
6. Glukhov Yu. V., Makeev B. A., Sokerin M. Yu. Typomorphism of chrome spinels from Holocene psephites of the Kyvvozh gold placer field (Volsko-Vymskaya ridge, Middle Timan). Vestnik of Geosciences, 2021, No. 8 (320), pp. 3—15. (in Russian)
7. State Geological Map of the Russian Federation. Scale 1:1000000 (third generation). Ural Series. Sheet P–40 — Northern Urals. Explanatory note. Saint Petersburg: VSEGEI Cartographic Factory, 2005, 332 p. (in Russian)
8. Kukharenko A. A. Mineralogy of placers. Moscow: State scientific and technical publishing house of literature on geology and subsoil conservation, 1961, 320 p. (in Russian)
9. Makeev A. B., Perevozchikov B. V., Afanasyev A. K. Chromite content of the Polar Urals. Syktyvkar: Komi branch of the USSR Academy of Sciences, 1985, 152 p. (in Russian)
10. Makeev A. B. Mineralogy of alpine-type ultrabasites of the Urals. St. Petersburg: Nauka, 1992, 197 p. (in Russian).
11. Makeev A. B., Brianchaninova N. I. Mineralogy, chromite and platinum content of the Polar Urals. Vestnik of the Institute of Geology Komi SC UB RAS. Syktyvkar: Geoprint, 1999, No. 6, pp. 20—24. (in Russian).
12. Nazarov N. N., Kopytov S. V., Zhuykova I. A., Chernov A. V. Pleistocene drainage channels in the southern part of the Keltminskaya trough (Kama-Vychegda interfluve). Geomorphology. 2020, No. 4, pp. 74—88. (in Russian)
13. Osovetskiy B. M. Typochemistry of placer minerals: Handbook. Perm: Perm University Press, 2001, 244 p. (in Russian)
14. Pavlov N. V. Chemical composition of chrome spinels in relation to the petrographic composition of ultrabasic intrusions. Proceedings of IGN, 103, 1949, 87 p. (in Russian)
15. Panin A. V., Zaretskaya N. E., Karpushina N. V., Kurbanov R. N., Modin I. N., Murray E. S. OSL chronology of the Keltmin paleovalley and the problem of overflow of Late Pleistocene ice-dammed lakes into the Caspian Sea. Abstracts of the reports of the All-Russian scientific conference (with international participation) "Geochronology of the Quaternary: instrumental methods for dating the latest deposits", dedicated to the 90th anniversary of the birth of L. D. Sulerzhitsky. Moscow: IG RAS, GIN RAS, 2019, pp. 66. (in Russian)
16. Yakovlev S. A. Fundamentals of the Geology of Quaternary Deposits of the Russian Plain (Stratigraphy). Moscow: Gosgeoltekhizdat, 1956, 314 p. (in Russian).
17. Panin A., Astakhov V., Komatsu G., Lotsari E., Lang J., Winsemann J. Middle and Late Quaternary glacial lake-outburst floods, drainage diversions and reorganization of fluvial systems in northwestern Eurasia // Earth-Science Reviews. 2020. Vol. 201. P. 103069. DOI:https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2019.103069
