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 ΔGrT ≈ ΔHo298 -T•ΔSo298 [8]). Исходные термодинамические данные приведены в табл.2. а в табл.3 -результаты расчётов тепловых эффектов при разложении калиевых полевых шпатов.
Таблица 2. Исходные термодинамические данные по [7].
Соединение |
-ΔHo298 ккал/Моль |
-ΔGo298 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.
Таблица 3. Результаты расчётов тепловых эффектов в реакциях преобразования калишпатов.
№№ П.п. |
ΔGio |
Соединение |
n |
nΔGio |
ΣnΔGio |
ΔrGo |
1 |
2KAlSi3O8 + 2H2O + CO2 = H2Al2Si2O8 ⋅ H2O + K2CO3 + 4SiO2. |
|||||
-892,7 |
KAlSi3O8 (микроклин) |
2 |
-1785,4 |
-1993 |
17,58 |
|
-56,69 |
H2O (ж) |
2 |
-113,38 |
|||
-94,26 |
CO2 (г) |
1 |
-94,26 |
|||
-901,4 |
Каолинит |
1 |
-901,4 |
-1975,5 |
||
-255,5 |
K2CO3 (тв) |
1 |
-255,5 |
|||
-204,64 |
SiO2 |
4 |
-818,56 |
|||
2 |
2KAlSi3O8 + 9H2O + 2H+ = H2Al2Si2O8 ⋅ H2O + 4H4SiO4 + 2K+ |
|||||
-892,7 |
KAlSi3O8 (микроклин) |
2 |
-1785,4 |
-2295,6 |
8,73 |
|
-56,69 |
H2O (ж) |
9 |
-510,21 |
|||
0 |
H+ |
2 |
0 |
|||
-901,4 |
Каолинит |
1 |
-901,4 |
-2286,9 |
||
-312,64 |
H4SiO4 |
4 |
-1250,6 |
|||
-67,46 |
K+ |
2 |
-134,92 |
|||
3 |
3KAlSi3O8 + 2H+ = KAl3Si3O10(OH)2 +6SiO2 + 2K+ |
|||||
-892,7 |
KAlSi3O8 (микроклин) |
3 |
-2678,1 |
-2678,1 |
-15,86 |
|
0 |
H+ |
2 |
|
|||
-1334,2 |
H2Al2Si2O8 ⋅ H2O, мусковит |
3 |
-1334,2 |
-2694 |
||
-204,64 |
SiO2 |
6 |
-1224,8 |
|||
-67,46 |
K+ |
2 |
-134,92 |
Наблюдения показали, что там, где в пробах имеется свободный каолинит, точки Kf – Kao образуют облачное распределение, т.е. прямой связи между минералами нет. И, следовательно, обратная связь (Kf – ГА) не обусловлена реакцией между минералами Kf – Kao. В пользу этого предположения говорит также и отсутствие в большинстве случаев связи Kf – Qw, либо даже прямая связь между их содержаниями (два случая).
В литературе [6] упоминается ещё один механизм связи Kf – Kao*):
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.
В работе [11] приводится ещё одно уравнение (№2 в табл.3). Для него автор даёт ΔrGо(298)= 0,36 ккал/М. Наша же оценка равна ΔrGо(298)= 8,73 ккал/М.
Наконец, С.А. Кашик [11] приводит уравнение Гаррелса и Говарда [11, с. 101] для реакции образования из калишпата серицита
3KAlSi3O8 + 2H+ = KAl3Si3O10(OH)2 +6SiO2 + 2K+ (4)
(табл.3, реакция 3). По С.А.Кашику для этого случая ΔrGо(298)= -25,92 ккал/М; наша оценка ΔrGо(298) = -15,86 ккал/М. Хотя эти значения и различаются, но в обоих случаях величина ΔrGо(298)< 0, что говорит о возможности протекания этой реакции в экзогенных условиях.
Достаточно интересный результат получатся при объединении уравнений (4) и (5) [11, с.104], при этом уравнение (3) отвергается. Тогда получаем систему
3KAlSi3O8 + 2H+ = KAl3Si3O10(OH)2 +6SiO2 + 2K+ (4)
2KAl3Si3O10(OH)2 + 3H2O + 2H+ = 3Al2Si2O7•2H2O + 2K+ (5)
Для первой реакции ΔrGо(298) = -15,86 ккал/М (по расчётам С.А.Кашика -25,92 ккал/М).
Для второй ΔrGо(298) = -0,36 ккал/М (по расчётам С.А.Кашика -12,3 ккал/М).
Эта система близка гипотезе о стадийном механизме образования каолинита: в начале из калиевого полевого шпата образуется серицит, а затем из этого серицита- каолинит, т.е. эти реакции можно отности к типу последовательных. Полагая, что Al2Si2O7•2H2O = H2Al2Si2O8·H2O, имеем суммарное уравнение вида
6KAlSi3O8 + 6H+ + 3H2O= 3Al2Si2O7•2H2O + 12SiO2 + 6K+ . (6)
Для него ΔrGо(298) = -38,37 ккал/М (2*ΔrGо(298)(4) + ΔrGо(298)(5) = 2*(15,86) + (-0,36) = -32,06).
Однако это не решает проблему «калишпат – каолинит» в реальных природных условиях, поскольку не объясняет реальные взаимоотношения минералов.
Рассмотренные выше связи между минералами говорят об осторожности в использовании обобщённых уравнений типа (6), поскольку при этом теряется важная для геологов информация- о стадийности образования минералов.
В заключение можно отметить следующие выводы.
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.
11. Кашик С.А. Физико-химические условия формирования некоторых минералов и минеральных ассоциаций при осадочном породообразовании. /Физические и химические процессы и фации. М.: Наука, 1968. С.100-108.