Некоторые новые особенности образования песчаных отложений Ферганской депрессии

Автор:

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= 298^oK и P= 1 атм.) и Т = 373^o K (по грубому равенству ΔG^r_T ≈ ΔH^o₂₉₈-T•ΔS^o₂₉₈ [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	-ΔH^o₂₉₈ ккал/Моль	-ΔG^o₂₉₈ ккал/Моль	ΔS^o₂₉₈ Кал/М•К	с_р= a +bT + c/T²
Соединение	-ΔH^o₂₉₈ ккал/Моль	-ΔG^o₂₉₈ ккал/Моль	ΔS^o₂₉₈ Кал/М•К	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 ΔG^о₂₉₈= 19,36 ккал/М, во втором - ΔG^о₃₇₃= 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.	ΔG_i^o	Соединение	n	nΔG_i^o	ΣnΔG_i^o	Δ_rG^o
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		-2678,1
	-1334,2	H₂Al₂Si₂O₈ ⋅ H₂O, мусковит	3	-1334,2	-2694
	-204,64	SiO₂	6	-1224,8
	-67,46	K⁺	2	-134,92

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 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 K₂CO₃образуется КОН. Для этого уравнения ΔG^о₂₉₈= 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 ΔG^о₂₉₈= 22,97ккал/М. Как видим и здесь в стандартных условиях реакция должна проходить в сторону сохранения калишпата. Поскольку для неё ΔG^o₂₉₈ >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 Δ_rG^о(298)= 0,36 ккал/М. Наша же оценка равна Δ_rG^о(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 Δ_rG^о(298)= -25,92 ккал/М; наша оценка Δ_rG^о(298) = -15,86 ккал/М. Хотя эти значения и различаются, но в обоих случаях величина Δ_rG^о(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 Δ_rG^о(298) = -15,86 ккал/М (по расчётам С.А.Кашика -25,92 ккал/М).

Для второй Δ_rG^о(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 Δ_rG^о(298) = -38,37 ккал/М (2*Δ_rG^о(298)₍₄₎+ Δ_rG^о(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.

Фактурные наблюдения показали наличие обратной зависимости между концентрациями глинистого агрегата и микроклина. Это может свидетельствовать о развитии глинистого агрегата за счёт микроклина.
Каолинит является частью глинистого агрегата. Для описания связи между калиевым полевым шпатом и каолинитом было предложено много уравнений. Их обилие говорит, что проблема взаимоотношений микроклина и каолинита пока не имеет решения.
Из существующих уравнений, в частности, описанных выше, большинство из них в стандартных условиях имеют положительные значения свободной энергии образования; это означает, что они не могут описать указанные взаимоотношения между минералами.
Интересна гипотеза о стадийном образовании каолинита из калиевого полевого шпата, но и она не объясняет реальные природные связи между минералами.

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.

Lithology.Ru - Литология.РФ : Литология академическая, прикладная и прочая

Вход для пользователей

Навигация

Некоторые новые особенности образования песчаных отложений Ферганской депрессии