Некоторые новые особенности образования песчаных отложений Ферганской депрессии

НЕКОТОРЫЕ  НОВЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕСЧАНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ФЕРГАНСКОЙ ДЕПРЕССИИ

Макаров В.П.

Российский государственный геологоразведочный университет,  Москва

Введение.

Дополнительно рассмотрены результаты изучения меловых отложений Ферганской долины, описанные в работе [1], с целью выявления новых особенностей формирования механогенных, прежде всего песчаных, коллекторов на основе использования новых методик интерпретации материалов. Исследования охватили районы Узбекистана: Варзыкский, Гульчинский (Гулистан), Сарыкамышский (ныне Ходжаабадский р-н); и районы Киргизии: Караалминский, Каракульджинский, Киргизия, Куршабский (ныне Узгенский р-он), Нарынский, Наукатский, Чангырташ-Сузакский. Несколько описанных районов не отражено в современном административном делении: Дашраватский, Кочкаратинский, Токубайский. В целом стратиграфия меловых отложений региона изучена многими исследователями, и их история отражена, например, в работе [2].  Между ними имеются некоторые различия, но за основу взята стратиграфическая схема [1]. Исследованы [1] толщи и слагающие их свиты [они отмечены в квадратных скобках вместе с количеством отобранных проб (в круглых скобках)]: надустричная [чангырташская (28 проб), пестроцветная (55), яловачская(81) свиты], устричная [карбонатно-глинистая (50 проб) свита и её гравийно-известняковая подсвита (12)] и подустричная [калачинская (25), кызыл-пиляльская (86), ляканская (82), муянская (84 пробы) свиты]. Свиты сложены в разных сочетаниях песчаниками, песчано-глинистыми и глинистыми образованиями, алевролитами, конгломератами с гравелитами, карбонатами иногда с доломитами, сульфатами. 

Методическая часть.

Все пробы авторы [1] подвергали петрографическому и минералогическому изучению в шлифах и иммерсионных препаратах. В рыхлых образцах ими выделялись «лёгкая» и «тяжёлая» фракции в пробах размером 0,10 – 0,01 мм. В этих фракциях были установлены: лёгкая фракция- главные минералы: кварц Qw, полевые шпаты (калиевые шпаты Kf – ортоклаз и микроклин, редко плагиоклаз), обломки глинистых агрегатов;  редкие минералы и акцессории: биотит, мусковит, слюды (без разделения), обломки пород, кремни, силициды, гипс, доломит, каолинит Kao и др. Тяжёлая фракция- главные минералы: магнетит Mt + ильменит Il, гематит + лимонит, гранат Gr, циркон, турмалин; редкие минералы: ставролит Stavr, сфен, эпидоты, хлориты, барит;  акцессории: глауконит, доломит, рутил, топаз, дистен, биотит, мусковит, амфиболы и др.

Основные приёмы изучения минералов в [1] - построение прямых корреляции, расчёты их параметров и построение при необходимости компенсационных прямых [3]. Важный момент  - выяснение физического смысла параметров этих уравнений. В целях описания механизмов взаимоотношений минералов использован термодинамический анализ.

Основные результаты.

Проведённый анализ выявил, что, во-первых, примерно в 95% выборок между содержаниями минералов корреляционная связь отсутствует, на диаграммах точки образуют облако неопределённой форме без внутренней структуры в распределении точек. Иллюстрирует этот факт рис. 1. Далее подобные структуры будем называть «облачными». Такая же связь между Kf и Kao в устричной толще Варзыкского района.

Рис.1. Характер связи между минералами -«облачное распределение»;

Во-вторых, много реже в этом облаке вырисовываются некоторые внутренние структуры. Примеры приведены на рис.2. Это - выборки из меловых отложений Гульчинского, Куршабского и др. районов и характерны для ляканской  и муяканской свит. Например, для ляканской свиты (рис.2), установленной в Караалминском (39% проб), Кочкаратинском (32%), Чангырташ-

Рис.2. Характер смешанного распределения связей между кварцем и калишпатом в меловых отложениях.

Сузакском (8%), Куршабском (5%), Каракульджинском (3% проб) районах для изученных минералов линейная связь (точки на диаграмме) характерна преимущественно для Кочкаратинского района, а облачное распределение (полые квадраты) - для Караалминского и Чангырташ-Сузакского районов. Таким образом, намечается географическая дифференциация вещества. Такая же ситуация наблюдается и в муяканской свите и подустричной толще Гульчинского района, но пространственная дифференциация в них уже отсутствует.

В- третьих, в очень редких случаях установлена линейная связь между содержаниями минералов.  Прежде всего, это характерно для пары «калиевый полевой шпат- глинистые агрегаты (ГА)» (9 выборок). Пример показан на рис.3. Все они 

Рис.3. Характер линейного распределения между калишпатом и

глинистыми агрегатами в меловых отложениях.

выписаны в табл.1. На рис.4 изображена компенсационная диаграмма, построенная по этим данным. Цифры у точек соответствуют номерам уравнений в табл.1. На диаграмме полые квадратики соответствуют сильно отскакивающим пробам, в

Рис.4. Компенсационная диаграмма для уравнений типа (глин. агр.) = AKf + В

табл.1 они помещены в правой части клетки. На рис.4 видно, что точки  группируются вдоль компенсационной прямой A = -43,82B + 23,68. Можно предположить, что состав источника этих минералов примерно постоянен и соответствует 

Табл.1. Параметры уравнения связи Kf= A(глин. агр.) + В

между калишпатом (Kf) и глинистыми агрегатами. 

№№

П.п.

Район

А

В

R2

1

Варзыкский

  -0,423

 37,82

0,984

2

Гульчинский (Гулистан)   

  -0,826

 70,34

0,918

3

Токубайский

  -0,903

 54,39

0,540

4

Варзыкский

  -0,954

 90,39

0,994

5

Ляканская свита

  -1,040

 88,04

0,888

6

Кочкаратинский

  -1,137

 80,83

0,905

7

Муянская свита

  -1,171

 96,44

0,908

8

Караалминский

  -1,379

 84,48

0,901

9

Чангырташ-Сузакский

  -1,398

 85,65

0,958

10

Абширский

  -1,539

 85,56

0,902

11

Наукатский

  -1,625

 84,70

0,875

12

Нарынский

  -5,215

 87,05

0,827

 концентрациям калишпата (Kf)o=43,82%  и глинистых агрегатов  (ГА)о =   23,68% [3]. Кроме этой пары ещё реже появляются пары Kf - Pl   (Pl=0,009Kf +0,059; яловачская свита), (Mt+Il) – Stavr   [Stavr=   0,187(Mt+Il) – 3,005; Сарыкамышский р-он], (Mt+Il) – Tur [Tur =   0,107(Mt+Il) – 0,29; Куршабский р-он].  В яловачской и карбонатно-   глинистой свитах установлена связь Kf = 0,352Qw+ 9,003 и Kf = 0,715Qw + 0,26 соответственно; но эти примеры единичны и, возможно,  случайны, потому далее они не анализируются. 

Интерпретация результатов.

Таким образом, выделяются две закономерности:

1.Последовательность в формировании корреляционной связи:

а) облачное распределение – наиболее распространённый, преобладающий вид распределения;

б) смешанное распределение – комбинация облачного и линейного распределения;

в) линейное распределение- связи описываются уравнениями вида М1 =сМ2 + С.

В подавляющем большинстве случаев R2>> 0,80.Характер площадного распределение этих типов связи установить не удалось, и прежде всего из-за несоответствия раннего административного деления территории современному. Тем не менее, можно предположить, что распределения третьего типа являются исходными, а в последующем под действием различных процессов преобразования пород это распределение разрушалось, слагающие пробы минералов постепенно перемешивались, создав, в конечном счёте, равномерное «облачное» распределение.

2.Распределение вида (ГА) = AKf + B (А <0) только для двух минералов-калиевого полевого шпата и глинистого вещества является исходным. Согласно [1], «нередко наблюдается полный переход полевых шпатов в мелкочешуйчатые глинисто-слюдяные агрегаты» [1, стр.199]. «В связи с этим, …, в ряде случаев увеличение количества глинистых мелкочешуйчатых образований связано с уменьшением количества полевых шпатов и, наоборот, количество полевых шпатов увеличивается за счёт резкого уменьшения содержания мелкочешуйчатых глинистых образований» [1, стр. 203]. Поскольку A <0, то можно говорить, что эти данные соответствуют наблюдениям А.М. Акрамходжаева [1]. Однако он не рассматривает механизм подобного разделения. Если учесть знак при постоянной A, то данное уравнение можно рассматривать как сумму двух компонентов, являющейся постоянной величиной, т.е. имеем (ГА) + AKf = B = const. Здесь один компонент заменяется другим компонентом. Это типичное проявление процесса смешения компонентов, но механизмов смешения может быть несколько:  

- механическое поступление в зону смешения одного из компонентов;

- смешение происходит за счёт химической реакции, в результате которой один из компонентов исчезает, а другой появляется, например, по реакции [5]*):

2KAlSi3O8 + 2H2O + CO2 → H2Al2Si2O8 ⋅ H2O + K2CO3 + 4SiO2.          (1)

(Ортоклаз)                       (Каолинит)

Свойством этой записи является то, что она отражает непосредственный переход ортоклаза в смесь, содержащую каолинит. Анализ этого уравнения для условий термодинамического равновесия показывает следующее:

1) Так как эта реакция – реакция замещения, то калишпат и каолинит должны находиться в обратной зависимости: уменьшение калишпата должно сопровождаться ростом содержания каолинита, и наоборот. То же можно сказать и о взаимоотношениях каолинита и кварца;

2) Поскольку количество частиц, участвующих в реакции, в обеих её частях не равны, реакция зависит от давления, причём с ростом внешнего давлении она сдвигается влево, т.е. каолинит не образуется;

3) Для оценки влияния температуры на ход реакции определим величину ΔG для стандартных условий (T= 298oK и P= 1 атм.) и Т = 373o K (по грубому равенству ΔGrTΔHo298 -TΔSo298 [8]). Исходные термодинамические данные приведены в табл.2.

Таблица 2. Исходные термодинамические данные по [7].

Соединение

Ho298

ккал/Моль

Go298

ккал/Моль

ΔSo298

Кал/М•К

ср= a +bT + c/T2

а

b•103

с•10-5

KAlSi3O8 (ортоклаз)

946,10

892,7

50,7

63,83

12,90

-17,05

H2O (ж)

68,31

56,69

16,716

18,08

    -

    -

CO2 (г)

94,05

94,26

51,061

10,57

2,10

-2,06

Каолинит

978,1

901,4

48,5

57,47

35,3

-7,87

K2CO3 (тв)

273,93

255,5

33,7

19,19

26,06

    -

SiO2

217,65 

204,64

9,88

11,22

8,20

-2,7

Мусковит (серицит)

KAl2(Al3O10)(OH)2

1424,4

1334,2

70,82

97,56

26,38

-25,44

КОН (тв)

101,78

89,5

14,2

нет данных (нд)

Тогда в первом случае ΔGо298= 19,36 ккал/М, во втором - ΔGо373= 24,18 ккал/М.   В обоих случая значения свободной энергии Гиббса положительны, говоря, что реакция всегда сдвинута влево. Следовательно, каолинит не образуется непосредственно при разложении ортоклаза.

3. С другой стороны, при избытке вполне подвижных компонентов H2O и CO2 в левой части уравнения, а также при удалении по мере течения реакции из правой части поташа (K2CO3) и кварца (SiO2), реакция стремится сдвинуться влево, т.е. в сторону образования каолинита, однако, здесь уже проявляются динамическое факторы, соответствуя  неравновесным термодинамическим условиям.

Наблюдения показали, что там, где в пробах имеется свободный каолинит, точки KfKao образуют облачное распределение, т.е. прямой связи между минералами нет. И, следовательно, обратная связь (Kf – ГА) не обусловлена реакцией между минералами KfKao. В пользу этого предположения говорит также и отсутствие в большинстве случаев связи KfQw, либо даже прямая связь между их содержаниями (два случая).

В литературе [6] упоминается ещё один механизм связи KfKao*):

         2KAlSi3O8 + 3H2O = 2KOH + H2Al2Si2O8·H2O + 4SiO2,                (2)

          (Ортоклаз)                           (Каолинит)

Поскольку эта реакция протекает в присутствии  СО2, то она в целом близка реакции (1), только в ней вместо K2CO3 образуется КОН. Для этого уравнения ΔGо298= 225,6 ккал/М, т.е. эта величина положительна и настолько велика по сравнению с предыдущими оценками ΔG, что говорит о том, что эта реакция вообще маловероятна. Кроме того это уравнение противоречиво. Известно [Чертко, 2007], что, «каолинит устойчив в сильнокислой и кислой среде», здесь же в правой части установлена сильная щёлочь, что не соответствует этому условию.

В.Т.Фролов [9] приводит уравнение разложения калишпата с образованием серицита:

6KAlSi3O8 + 2H2O + 2CO2 = 2KAl2(Al3O10)(OH)2 + 2K2CO3 + 12SiO2.       (3)

Поскольку серицит рассматривается как разновидность мусковита, то в табл.2 приведены термодинамические данные для мусковита. Для этой реакции ΔGо298= 22,97ккал/М. Как видим и здесь в стандартных условиях реакция должна проходить в сторону сохранения калишпата. Поскольку для неё ΔGo298 >0, то и при повышенной Т эта реакция также будет сдвинута влево.

Многие авторы, например, [4], предлагают стадийный механизм превращения Kf  в Kao. На первой стадии образуются минералы типа монтмориллонита, гидрослюд или серицита (соотношения не выявлены)**), на второй стадии – последние превращаются в Kao. Полученные данные позволяют предположить, что все слюдистые минералы, в том числе и монтмориллонит, не могут непосредственно замещать Kf. В первую очередь это может быть потому, что приведённые выше уравнения не отражают истинных связей между минералами, а потому не позволяют адекватно описать выявленные взаимоотношения Kf  и Kao.

В почвоведении [10] описывается связь калишпата с гидрослюдой (иллитом) K[AlSi3O8] → (K,H3O)Al2(OH)2[AlSi3O10] → Al4(OH)8[Si4O10], однако сама реакция не прописана.

 


*) Примечание: каолинит имеет две формы записи- в приведённых выше уравнениях он записывается как H2Al2Si2O8 • H2O, а в [7] – как Al2Si2O5(OH)4.

Описанные в табл.2 термодинамические данные относятся ко второй форме. Тождественность этих уравнений не ясна. Хотя набор элементов и их количества одинаковые в обеих записях, но структурное положение их разное, а значит, они должны иметь различные термодинамические параметры. Кроме того, иногда упоминается форма Al4[Si4O10](OH)8, которая представляет собой удвоенный вариант второй разновидности. Но и здесь также не ясна их термодинамическая тождественность.

**) Отсутствие точных формул и термодинамических данных этих слюдистых минералов не позволяет оценить достоверность этих предположений.

Литература.

 1.Акрамходжаев А.М. Литология нефтегазоносных отложений Ферганской депрессии. Ташкент: изд-во АН Узбекской ССР, 1960.

2.Рухин Л.Б., Рухина Е.В. Меловые отложения Ферганской котловины. Ленинград: изд-во ЛГУ, 1961.

3. Макаров В.П. «Явление компенсации» - новый вид связи между геологическими объектами. / Материалы  I Международной научно- практической  конференции «Становление современной науки – 2006». Днепропетровск, 2006. т.10. Стр. 85- 115. URL: http://www.lithology.ru/node/817.

4. Горшков Г.П., Якушева А.Ф. Общая геология. М.: издание МГУ, 1973. 592 с.

5. Короновский Н.В. Общая геология. М.: КДУ «ДОБРОСВЕТ»,2018. URL: https://bookonlime.ru/product/obshchaya-geologiya

6. Чертко Н.К. Геохимия. Минск, Издательство «ТЕТРА СИСТЕМС», 2007. URL: http://elib.bsu.by/bitstream/123456789/24189/1/geochem07.pdf

7.Карпов И.К., Кашик С.А., Пампура В.Д. Константы веществ для термодинамических расчётов в геохимии и петрологии. М.: Наука, 1968.

8. Духанин Г.П., Козловцев В.А. Термодинамические расчёты химических реакций. Волгоград: Волг-ГТУ, 2010. URL: http://www.twirpx.com/file/490490/

9.Фролов В.Т. Литология. Книга 1. М.: изд-во МГУ, 1992. URL: http://docplayer.ru/29098236-V-t-frolov-litologiya-kniga-i.html#show_full_text/.

 

10. Выветривание (гипергенез) горных пород.URL: http://poznayka.org/s102863t1.html.