ГлавнаяИзучение вопросов разделения морских и пресноводных отложений на основании геохимических критериев началось лишь недавно. Данные по этой теме изложены в работах В. М. Гольдшмидта, М.Л. Кейта и Э. Дегенса, Р.Е. Грима, Ж. Мильта, К.Е. Вивера, X. Хардера, Р.Е. Поттера и др.
В качестве химических элементов-индикаторов изучались бор, литий, рубидий, галлий; из глинистых минералов глауконит, монтмориллонит, иллит, аутигенные полевые шпаты, цеолиты и др. Из химических элементов бор как геохимический индикатор условий образования осадков является наиболее изученным. Впервые на более высокое содержание бора в морских отложениях обратил внимание В.М. Гольдшмидт.
Считается, что только диоктаэдрические слюды включают бор в структуру в значительных количествах. Экспериментально это подтвердили Стубикан и Рой. Если исходить из того, что бор замещает алюминий в тетраэдрах (четверная координация), то теоретически его общее содержание в слюдах может достигнуть 2,9%. В действительности его содержание в глинах достигает только 0,2%. Из этого, вероятно, следует, что только внешние позиции алюминия могут быть заняты бором, и этот процесс захвата прекращается как только они будут замещены.
Для определения палеосолености наиболее подходят чистые иллитовые фракции, размер фракции должен быть 0,002 мм, и даже лучше, как указывают многие авторы, брать фракцию <0,5 мк.
Уолкер и Прайс ввели термин «эквивалентный бор» и предлагают пересчитывать содержание бора по отношению к K2O, который можно использовать как показатель содержания иллита. Рейнольдс разработал методику определения содержания аутигенных слюд и обратил внимание на то, что при расчетах нужно исключить К2О, связанный с микроклином и слюдами разновидности 2М.
Серьезные помехи в интерпретацию данных могут внести большие содержания турмалина в породе.
При использовании бора для палеогеохимических данных нужно учитывать еще ряд факторов: прежде всего нужно учитывать, что в глинистой породе имеется бор еще до ее сноса в бассейн седиментации. В породах имеются гидрослюды нескольких генераций, преимущественно модификации 2М, которые представляют собой высокотемпературные разности. Аутигенный иллит 1M и 1MЛ низкотемпературного происхождения менее распространен. На содержание бора в породе и его способности к сорбции накладывает отпечаток также присутствие органического вещества. По-видимому, определение участия в сорбции самого органического вещества и его формы взаимодействия с глинистым веществом является самой трудной аналитической задачей. Процесс фиксации бора в глинистой фракции, по-видимому, имеет две стадии. Первая заключается в том, что бор сорбируется на поверхности иллита. Однако его содержание будет меняться в зависимости от смены условий и процессов диагенеза. Во вторую-стадию бор переходит с поверхности в более глубокие слои, и происходит процесс замещения алюминия бором. Выше мы уже указывали, что эти процессы, по всей вероятности, захватывают только внешние участки решетки. Эксперименты пока не дали ответа о скорости их прохождения, но во всяком случае вторая стадия протекает значительно медленнее.
Содержание бора в глинистой фракции зависит также от условий седиментации, особенно скорости. Накопление материала в условиях медленной седиментации создает условия для длительной сорбции, что может привести к большому насыщению глинистых частиц бором. В то же время, при той же величине палеосолености бассейна, накопление материала в мелководной части бассейна с быстрой скоростью осадконакопления приведет к тому, что породы окажутся недонасыщенными бором. Некоторые исследователи считают, что для определения палеосолености можно использовать также отношение K/Rb в иллите.
Весьма полезными работами по рассматриваемому вопросу являются исследования Кейта и Дегенса. На примере пенсильванских морских и пресноводных отложений (в 80% проб осуществлялся фаунистический контроль) эти авторы установили, что в морских отложениях выше содержание В и Li, а также F и Sr.
Пресноводные отложения характеризуются более высокими содержаниями Ga и Cr. Хорошо разделяются отложения также при нанесении В и Li на график (рис. 39). Эти же авторы установили, что в выделенных из илов фракциях органического вещества в морских отложениях было больше Ni и V, а в пресноводных Pb, Zn, Cu и Sn.
Поттер и другие обнаружили, что в морских глинистых отложениях больше В, Cr, Cu, Ga, Ni и V. Эти авторы установили также, что дискриминантная функция B и V позволила точно отделить морские отложения от пресноводных.
Тартело разделил позднемеловые отложения на 4 группы: 1) пресноводные с низким содержанием Сорг; 2) пресноводные органогенные сланцы (1—17% Сорг); 3) морские отложения около берега; 4) морские глубоководные.
Между 1 и 2-й группами нет большой разницы, кроме Сорг-B глубоководных отложениях Cr, Cu, Mo, Se, V и Zn более сконцентрированы в образцах с высоким содержанием органического вещества. В морских отложениях около берега содержится В, Cr, Cu, Ni, V и Zn больше, чем в пресноводных, а в глубоководных еще более. Мышьяка больше в морских отложениях, но одинаково в обеих группах.
Co и Se содержится одинаково в морских отложениях около берега и в пресоводных, но больше в глубоководных, Ga одинаково в морских около берега и пресноводных, но меньше, чем в глубоководных.
Последние исследования Шимп и других, во время которых проводился анализ глинистой фракции < 2 мк в 43 пресноводных и 39 морских современных осадках, отобранных из районов мира (пресноводные — в Северной Америке, Южной Америке и Европе; морские — из Тихого, Индийского океанов, Мексиканского залива, Северного и Адриатического морей), подтвердили, что морские осадки заметно обогащены бором по сравнению с пресноводными (средние содержания 105,0 и 58,0 г/т соответственно). При одном и том же содержании глинистой фракции в морских осадках содержится примерно на 30—45 г/т больше В, чем в пресноводных. На примере проб из Мексиканского залива было установлено, что содержание бора в осадках возрастает от береговой линии в сторону открытого моря (параллельно с ростом содержания глинистой фракции). Вместе с тем статистическая обработка данных анализов показала, что по содержанию Cr, Ga, Ni, V, CaCO3 и Cорг нельзя достаточно уверенно отличать морские осадки от пресноводных (табл. 19).
Определенные коррективы в геохимию бора, вероятно, нужно вносить при изучении эффузивно морских отложений. Особенности изменения В и Cl в разрезе миоценовых отложений в районе Токио в Японии изучали Шизука Тошио и др. Охарактеризованы осадки глубиной до 260 м, представленные снизу вверх сменой фаций от пресноводных до морских. По составу эта смена соответствует переходу от глин через глинистые туфы до песчаников. Целью работы было установить, как зависит содержание В от минерального состава отложений (вулканического стекла или глины). В результате можно сделать следующие выводы: 1) чем больше содержание вулканического стекла, тем больше В; 2) содержание В увеличивается, а содержание Cl уменьшается, когда стекло при выветривании превращается в глину.
Б.А. Лебедев на основании изучения распределения малых элементов в юрских и нижнемеловых отложениях северо-запада Западно-Сибирской низменности установил следующие особенности: отношение Cr/Ni падает от прибрежных фаций к глубоководным в 2 раза, а отношение Cr/Cu в 4—5 раз. По данным Б.А. Лебедева, отношение Cr/Cu уменьшается по мере удаления осадочных пород от питающей провинции. Лебедев считает, что элементы, обладающие большей миграционной способностью, выносятся в удаленные от берега участки моря, тогда как слабоподвижные элементы накапливаются вблизи источника сноса. В мелководных отложениях по сравнению с глубоководными в 4—8 раз больше Ca и Sr и в 2—3 раза меньше Ba. В континентальных отложениях по сравнению с нормальными морскими отмечаются повышенные содержания Ti и Zr. В то же время подвижные элементы в значительной степени концентрируются морскими отложениями.
Для разграничения мелководных и глубоководных отложений, по данным Б.А. Лебедева, возможно использование отношения Sr/Ca (это отношение было предложено ранее В. Чилингаром). В верхнеюрских отложениях отношение Sr/Ca возрастает от 0,0068—0,023 в мелководных глинах до 0,060—0,074 в глинах сравнительно глубоководных.
Б.А. Лебедев изучил средние содержания ряда элементов (В, Sr, Ba, Mn, V, Cr, Ni, Cu, Ti, Zr, Na) в водоемах с разной соленостью. Наряду с различием в содержании бора отмечаются различия в содержании Sr и Na. Лебедев отмечает также, что отношение Ba/Sr всегда выше в пресноводных глинах. Он изучал также корреляционные связи между элементами в глинистых породах указанных районов и указал на наличие корреляционных связей между медью, барием и стронцием и на их совместный вынос в удаленные от берега участки морского бассейна, что, видимо, объясняется их сорбцией монтмориллонитом, который исключительно широко распространен в верхнеюрских отложениях указанных районов.
Корреляционная связь Ba и Sr в осадках рассмотрена Ю.К. Бурковым. Он отмечает, что в прибрежно-морских отложениях быстро распадается характерная для континентальных условий ассоциация стронций—барий, и связь между этими элементами становится отрицательной за счет резкого снижения подвижности бария, который здесь иногда даже образует положительные связи со слабоподвижными хромом и ванадием (что объясняется, очевидно, переходом бария в морских условиях в труднорастворимую форму сульфата). В удаленных от берега зонах морских бассейнов связь между Sr и Ba практически исчезает и одновременно с этим часто возникают положительные корреляционные связи между Sr и Mn, отсутствующие в континентальных условиях.
Для разделения пресноводных и морских отложений возможно также использование изотопных отношений.
В последние годы широко изучаются изотопы кислорода и водорода различных природных вод (метеорных, морских, магматических, метаморфических) и сравниваются величины их отношений. Сопоставляя колебания отношений D/Н, О18/О16 для пресных, соляных подземных вод и морских вод с помощью изотопных данных, можно определить условия формирования вод. Изучение изменений в соотношении изотопов C12 и С13 в карбонатных породах позволяет судить о фациальных условиях осадкообразования. Пресноводные карбонаты обычно значительно отличаются от морских большим участием в их образовании углекислого газа, обогащенного С12 (рис. 40).
Даш Е. Джулиус исследовал изотопные отношения Rb87/Sr87 и Sr87/Sr86 и установил, что изотопный состав Sr в детритовых отложениях позволяет различать континентальные и аутигенные морские осадки. Даже при длительном контакте Sr в алюмосиликатных детритовых образованиях не находится в изотопном равновесии с Sr морской воды. Отношение Rb/Sr, которое претерпевает изменения уже в коре выветривания на континенте ввиду большого выноса Sr, еще больше увеличивается, так как детритовые образования, отлагающиеся в морской среде, характеризуются адсорбцией Rb.
Сильверман и Эпштейн нашли различия в отношении С13/С12 в органическом материале из пресноводных и морских отложений. При использовании этого отношения исходили из факта, что наземные растения на континентах получают углерод из CO2 в атмосфере, поэтому это отношение близко к тому, что имеется в атмосфере. В противоположность этому большинство морских организмов усваивают углерод из карбонатных ионов в морской воде.
Поскольку имеет место фракционирование изотопов при обмене CO2 между атмосферой и морской водой — это находит отражение в изотопном составе органического вещества. Вместе с тем нужно учитывать, что в составе морских отложений может присутствовать материал, смытый с суши, а в континентальных отложениях — пресноводный планктон.
Кейт и Вебер показали, что изотопный состав известняков и раковин также может отражать условия осадконакопления. Они использовали отношение bО13 и bО18, которые наносились на график.
Важным индикатором морского осадкообразования может быть поглощенный комплекс.
Несмотря на отдельные изменения в составе поглощенного комплекса в течение диагенеза во многих случаях в соотношении адсорбированных катионов генетически различных отложений продолжают наблюдаться характерные различия, заложенные в начальный период осадкообразования, в связи с чем их можно использовать для диагностики отложени.
В основу расшифровки фациальных условий осадконакопления были положены изменения в составе поглощенного комплекса глинистых пород, выраженные в виде изменения коэффициента щелочности, представляющего отношение
Преобладание Na+ и K+ рассматривается как показатель морских условий, Ca2+ + Mg2+ — пресноводных.
Катионный состав поглощенного и легкорастворимого комплексов морских и пресноводных отложений существенно отличается. Эти отличия проявляются как в значениях коэффициентов щелочности Na+ + K+/Ca2+ + Mg2+ и магнезиальности Mg2+ * 100/Ca2+ + Mg2+, так и в содержании поглощенного Na+.
Можно наметить поля, которым соответствуют определенные гидрохимические режимы литогенеза.
Содержание Na+ от 0 до 0,5% экв и Mg2+ * 100/Ca2+ + Mg2+ от 19 до 43 характеризует пресноводное, речное происхождение осадков в условиях умеренного гумидного климата.
Содержание Na до 2,5% экв и Mg2+ * 100/Ca2+ + Mg2+ от 40—42 до 52 обусловлено значительной аридностью климата.
Содержание Na+ в пределах 2,5—10% экв и несколько повышенное значение коэффициента Mg2+ * 100/Ca2+ + Mg2+до 63 характеризуют гидрохимические условия переходные от континентальных к морским в условиях умеренно-теплого гумидного климата.
Широки границы солевого состава от 10 до 30% экв Na+, от 42 до 70 Mg2+ * 100/Ca2+ + Mg2+ могут указывать на вторичное перераспределение солей в процессе продолжительного эпигенеза.
Характер поглощенных катионов глинистых пород специфичен в осадках прибрежно-морского, морского и континентального происхождения (рис. 41).
По особенностям поглощенного комплекса катионов целесообразно выделить следующие типы отложений по условиям образования:
Как уже отмечено, некоторые минералы могут успешно использоваться для индикации гидрогеохимической среды осадконакопления. Считают, что гидрогенными минералами морской среды являются глауконит, шамозит, филлипсит, большая часть сульфидов и др.
Большинство цеолитов (филлипсит, ломонит, шабазит) находится в морских глубоководных осадках или в отложениях, подвергающихся гидротермальным изменениям. Аутиген-ный анальцит часто находится в осадках озерного происхождения с повышенной соленостью и богатых натрием карбонатно-сульфатных растворах.
На геохимические условия гидрогенеза могут указывать конкреции карбонатов, известковые оолиты, фосфатные минералы — коллофан и карбонатапатит.
В пресноводных осадочных отложениях, как правило, меньше сульфидов, чем в морских отложениях того же возраста и состава, вследствие меньшего содержания в пресной воде сульфатных ионов. Некоторые сведения по этому вопросу можно найти в работах Э. Дегенса, М. Кейта и Э. Дегенса и др.
Некоторые проблемные вопросы геохимического изучения процессов и продуктов гидрогенеза сводятся к следующему:
1. Если термином «гальмиролиз» определить всю совокупность геохимических процессов выветривания в условиях океанического (морского) дна, то необходимо более глубоко изучить механизм этих процессов в разных условиях геохимической среды и определить основные параметры, характеризующие эти процессы.
2. Заслуживает большого внимания проблема изучения условий образования аутигенных минералов гидрогенеза, фазовых равновесий минеральных систем, последовательности выпадения в осадок окисей, гидроокисей различных элементов в разных условиях давления, солености, pH среды и др.
3. Классификация литологических и еще в меньшей мере геохимических типов и фаций отложений океанического дна разработана лишь в самых общих чертах.
4. Основные проблемы геохимии гидрогенеза в изложенном нами аспекте характеризуются впервые. Намечается новый подход к изучению ряда вопросов, представляющих интерес в области классификации процессов и продуктов гидрогенеза. Необходима комплексная разработка этих вопросов при участии геохимиков и гидрогеологов.