В основу изучения особенностей химического состава исследуемых отложений и их номенклатурной принадлежности были положены различные петрохимические модули, широко применяемые в литохимической практике и используемые в генетических и классификационных целях (Юдович, 1981; Ефремова и Стафеев, 1985; Маслов и др., 2018). Слабометаморфизованные осадочные отложения, какими являются изучаемые нами платформенные образования ВЕП, содержат непостоянные и зачастую высокие содержания ППП (потери при прокаливании). В исследуемых нами отложениях содержание ППП варьирует в пределах от 0.25 мас. % (в кварцевых песчаниках) до 13 мас. % (в железистых аргиллитах с сидеритом). В этом случае применение модулей в виде отношений породообразующих макроэлементов в составе пород по сравнению с абсолютными содержаниями окислов дают более достоверную геохимическую информацию (Ефремова и Стафеев, 1985).
Для геохимической характеристики состава изученных венд-кембрийских отложений были использованы шесть основных петрохимических модулей: АМ = Л12Оз / SiO2-- алюмокремневый модуль, ГМ = (Al2O3+ TiO2 + XFeO+ MnO) / SiO2 -- гидролизатный модуль, ФМ = (XFeO + MnO + MgO) / SiO2 -- фемический модуль, НКМ = (Na2O + K2O) / A12O3 -- модуль нормированной щелочности, ЖМ = (XFeO + MnO) / (TiO2 + A12O3) -- железный модуль, ТМ = TiO2/ A12O3 -- титановый модуль.
Алюмокремневый модуль (АМ) был взят в основу литолого-петрохимической классификации осадочных пород по (Неелов, 1980), где параметр a (атом. кол.) соответствует величине АМ (мас. %). По величине АМ выделяются следующие группы силикатных пород: кварцевые песчаники (0-0.07), полимиктовые песчаники (0.07-0.19), алевролиты (включая алевроаргиллиты) (0.19-0.30), аргиллиты (0.30-0.42), сиаллиты (> 0.42). Границы по группам пород рассчитаны нами путем интерполяции. В целом эта классификация в большей степени соответствует литологической характеристике терригенных алюмосиликатных пород, к которым относится подавляющая часть исследуемые нами отложения.
Гидролизатный модуль (ГМ) по (Юдович, 1981; Юдович и Кетрис, 2000) в основе своей отражает гипергенные процессы дифференциации вещества (выщелачивание и гидролиз) и при этом хорошо коррелируется с алюмокремневым модулем, с учетом различий в терминологии (см. рис. 3-8). Так, в классификации А. Н. Неелова (1980) к группе сиаллитов относятся высокоглиноземистые пелитолиты, в которых величина АМ > 0.42 (в атом. кол. АМ > 0.50). Приведенный нами модуль ГМ дополняет использование других петрохимических модулей, таких как ЖМ, ФМ, НКМ и ТМ, которые разделяют породы на подтипы и классы. Разделение типов пород на геохимические классы (низко-, умереннои высоко-) была проведена по сиаллитовому стандарту (Юдович и Кетрис, 2000), так как основная часть отложений изученных разрезов относится по ГМ к типу сиаллитов.
Дополнительно рассмотрены модули ЖМ и ТМ, которые косвенно могут свидетельствовать о наличии или отсутствии пирокластики в осадках (Юдович и Кетрис, 2000) и о климатических условиях их формирования (Мигдисов, 1960). Проанализирована общая и относительная щелочность пород по (Неелов, 1980), их тектоническая принадлежность (Roser and Korsch, 1986), генетический тип осадков (Cox et al., 1995; Юдович и Кетрис, 2000), а также охарактеризована величина CIA -- индекс химического изменения (Nessbit and Young, 1982) для оценки интенсивности выветривания пород областей сноса осадков.
Рис. 3. Диаграммы вариаций отдельных модулей в осадочных породах скв. Шоткуса-1. Названия горизонтов: см. рис. 1, б
Рис. 4
Рис. 5. Диаграммы вариаций отдельных модулей в осадочных породах скв. Костово-13. Названия горизонтов: см. рис. 1, 6
Рис. 6. Диаграммы вариаций отдельных модулей в осадочных породах скв. Уткина заводь. Названия горизонтов: см. рис. 1, б
Рис. 7. Диаграммы вариаций величин отдельных модулей в осадочных породах скв. Пюсси. Названия горизонтов: см. рис. 1, б
Рис. 8
Описание разрезов по скважинам
Лито и хемостратиграфический анализ терригенных отложений в рамках выделенных горизонтов верхнего венда -- нижнего кембрия северо-запада Балтийской моноклинали проведен по разрезам отдельных скважин, начиная с восточной части территории Ленинградской области (скв. Шоткуса-1) до западной -- скв. Пюсси и Скв. Шоткуса-1 (рис. 1, 3). В базальной части разреза редкинского горизонта, несогласно перекрывающего песчаники приозерской свиты нижнего рифея (Ивлева и др., 2018) наблюдается переслаивание алевролитов, аргиллитов, сиаллитов и кварцевых песчаников cварьирующими значениями ФМ и НКМ. Верхняя часть редкинского горизонта включает переслаивание алевролитов и аргиллитов, которые относятся к умеренно-фемическому и умеренно-щелочному классам пород. Котлинский горизонт представлен переслаиванием полимиктовых песчаников и алевролитов. Песчаники относятся к низкофемическому классу пород, а алевролиты -- к умеренно-фемическому классу; все отложения являются умеренно-щелочными и характеризуются большей частью близкими величинами НКМ.
Скв. Коровье-8 (рис. 1, 4). В низах разреза вскрыты отложения котлинского горизонта, сложенные преимущественно умеренно-фемическими и умеренно-щелочными алевролитами, среди которых встречаются прослои карбонатистых песчаников. Верхи разреза скважины относятся к лонтоваскому горизонту нижнего кембрия сложенного в нижней части разреза аргиллитами, а в верхней части -- преимущественно алевролитами. В целом отложения лонтовасского уровня сложены достаточно однообразной толщей умеренно-фемических и умеренно-щелочных алевроаргиллитов. При этом наблюдается заметный тренд увеличения НКМ от низов к верхам данного горизонта, что связано с уменьшением глинистой каолинитиллитовой компоненты от аргиллитов к алевролитам и возрастанием содержаний обломочного калиевого полевого шпата (КПШ).
Скв. Костово-13 (рис. 1, 5). Отложения редкинского горизонта представлены преимущественно аргиллитами с отдельным прослоями полимиктовых песчаников. Нижние слои аргиллитов относятся к группе высокофемических пород за счет присутствия в них сидерита; вышележащие аргиллиты относятся к умеренно-фемическому и умеренно-щелочному классу пород. Отложения котлинского горизонта характеризуются разнообразным составом пород, где наблюдается незакономерное переслаивание кварцевых (в низах разреза), полимиктовых песчаников, алевролитов и аргиллитов. Эти отложения обладают варьирующей фемичностью и относятся к умеренно-щелочному классу пород. Исключение представляют кварцевые песчаники, относящиеся к высокощелочному классу за счет низкого содержания глинозема и примеси КПШ в их составе. Выделяются отдельные слои полимиктовых песчаников и отдельные слои аргиллитов, содержащих железистый карбонат (сидерит). Лонтовасский горизонт сложен в нижней части алевролитами, а в верхней -- аргиллитами. По величине ФМ составы пород варьируют от низкофемических до высокофемических, а по величине НКМ относятся к умеренно-щелочному классу пород.
Скв. Уткина заводь (рис. 1, 6). Отложения редкинского горизонта по литохимическим данным представлены ассоциацией аргиллитов и сиаллитов. Аргиллиты относятся к умеренно-фемическому классу пород, сиаллиты -- к высокофемическому классу (примесь пирита); те и другие относятся к низкощелочному классу пород. Котлинский горизонт представлен в нижней части разреза аргиллитами, в верхней части -- алевролитами, которые в большей своей массе относятся к умеренно-фемическому и умеренно-щелочному классам пород. При этом в толще алевроаргиллитов в нижней и верхней частях горизонта наблюдаются слои высокофемических пород, содержащих по литохимическим и петрографическим данным до 50-70 % сидерита.
Скв. Пюсси (рис. 1, 7). Отложения котлинского горизонта представлены в основном толщей алевролитов с небольшой долей алевроаргиллитов. В нижней и верхней частях разреза появляются отдельные слои полимиктовых песчаников. В средней части котлинского горизонта выделяются слои высокофемических железистых пород на фоне основной группы отложений, относящихся к умеренно-фемическому и к умеренно-щелочному классам пород. Отложения лонтоваского горизонта включают толщу незакономерно переслаивающихся кварцевых песчаников, полимиктовых песчаников и алевролитов. Эти отложения, за исключением кварцевых песчаников, относятся к умеренно-щелочному классу пород; полимиктовые песчаники относятся к классу низкофемических, а алевролиты -- к классу умеренно-фемических пород.
Скв. Вайкла-24 (рис. 1, 8). По данным из работы Л. Сепп (Sepp, 2016) отложения котлинского горизонта представляют пеструю по петрохимическому составу толщу переслаивания алевролитов, аргиллитов (реже сиаллитов) с отдельными прослоями полимиктовых песчаников в нижней и верхней частях разреза. Песчаники и алевролиты относятся к низкофемическому классу пород, а аргиллиты -- к умеренно-фемическому классу. Верхние слои песчаников относятся к низкощелочным составам, а основная часть алевролитов и аргиллитов при варьирующей величине НКМ относится к умеренно-щелочному классу пород. Лонтовасские отложения представлены умеренно-фемическими и умеренно-щелочными алевроаргиллитами.
Геохимическая характеристика терригенных отложений
На иллюстрируемых графиках приводятся только четыре модуля, поэтому отдельно охарактеризуем железистый модуль, который при расчетах оказался аналогом фемического модуля, и титановый модуль, который несмотря на некоторые вариации его величины характеризует весь комплекс исследуемых пород как однотипный.
Величина ЖМ, вычисленная для тонкозернистых осадков (сиаллитов), по (Юдович и Кетрис, 2000), всех шести разрезов не превышает 0.75, что свидетельствует об отсутствии в исследуемых отложениях такого типа пород как сиферлиты, наличие которых обозначало бы присутствие вулканогенного материала. Кроме того, об отсутствии пирокластики и вулканитов (подтипы пород псевдосиаллитов и псевдосиферлитов), по (Юдович и Кетрис, 2000) в исследуемых отложениях свидетельствуют низкие содержания MgO, которые составляют большей частью 1-2 мас. % и редко достигают 3 мас. %. Кривая вариаций ЖМ в приведенных разрезах практически аналогична таковой на графике ФМ, что косвенно свидетельствует об отсутствии влияния стабильно низких содержаний MgO и MnO на величину ФМ.
Титановый модуль (ТМ) варьирует в зависимости от состава отложений в пределах 0.04-0.07, что соответствует умереннотитановому классу пород. Исключение составляют наиболее кварцевые разности песчаников (SiO2> 90 %), в которых ТМ из-за низких содержаний Al2O3увеличивается в несколько, а иногда и в десятки раз, что отвечает высокотитановым (кластогенный рутил) составам. Большая часть исследуемых отложений характеризуется величиной ТМ > 0.05, при которой величина Al2O3/ TiO2< 20, что может свидетельствовать (Мигдисов, 1960) о преобладании гумидных климатических обстановок формирования изучаемых вендкембрийских отложений.
Изучение щелочности осадочных пород по методике А. Н. Неелова (1980) показало, что практически все изученные породы относятся в основном к малощелочному ({Na2O+ K2O} < 0.10, ат. кол.) и в меньшей степени к умеренно-щелочному ({Na2O+ K2O} = 0.10-0.20, ат. кол.) классу пород; по соотношению щелочей они относятся к высококалиевому ({K2O/ (K2O+ Na2O} = 0.75-0.90, ат. кол.) и суперкалиевому ({K2O/ (K2O+ Na2O)} > 0.90, ат. кол.) семействам за счет постоянного присутствия иллита и обломочного калиевого полевого шпата при отсутствии или низких концентрациях кислого плагиоклаза. Таким образом, все составы исследуемых осадочных пород характеризуются величиной K2O/ Na2O= 1-100 (и больше) и на тектонической дискриминантной диаграмме SiO2-- K2O / Na2O (Roser andKorsch, 1986) ложатся в поле пассивных окраин, что свойственно платформенным отложениям.
Величина модуля нормированной щелочности НКМ в исследуемых отложениях за исключением кварцевых песчаников варьирует в пределах 0.20-0.40, что свидетельствует (Юдович и Кетрис, 2000) о присутствии как глинистого минерала (иллита), так и калиевого полевого шпата. Кроме того, из-за низкого содержания Na2O в составе пород величина модуля НКМ приближается к величине K2O/ Al2O3не превышающей 0.40, что также указывает (Cox et al., 1995) на присутствие литогенных компонентов в исследуемых породах.
Подтверждением литогенного генезиса осадочных пород как результат неоднократного рециклирования первичного осадочного субстрата может также служить величина индекса химического изменения CIA = {100 * Al2O3/ (Al2O3+ CaO + Na2O + K2O), мол. кол.} (Nessbit andYoung, 1982). Величина CIA в изученных нами тонкозернистых алюмосиликокластических отложениях частично обсуждалась ранее (Подковыров и др., 2017; Маслов и др., 2018; 2019). К этому можно добавить, что в преобладающей массе изученных нами терригенных отложений (за исключением кварцевых песчаников) величина CIA изменяется вполне закономерно и в среднем составляет в аргиллитах 80, в алевролитах -- 70, а в полимиктовых песчаниках -- около 60.
Заключение
Как следует из описания фактического материала (раздел 4), изученные ассоциации пород отдельно взятых горизонтов из различных разрезов не являются по составу вполне идентичными, что на наш взгляд объясняется, прежде всего, различиями в фациальных условиях осадконакопления.
Отложения редкинского горизонта (старорусская свита) вскрыты только в восточной части региона в трех скважинах Ленинградской области (Шоткуса-1, Костово-13 и Уткина заводь); в западной части Балтийской моноклинали на территории Эстонии они отсутствуют (Менс и Пиррус, 1971; 1987; Meidla, 2017). Эти отложения характеризуются относительно сходным составом пород и одинаковой небольшой мощностью (рис. 1, 40-60 м) и соответствуют своему геостратотипу в районе г. Старая Русса (Вербицкий и др., 2012). Здесь преобладают тонкозернистые осадки, представленные алевролитами, аргиллитами и сиаллитами (глиноземистыми аргиллитами); в основании свиты отмечаются песчаные прослои. Наиболее тонкозернистые глиноземистые составы, содержащие микроконкреции и линзы пирита, присутствуют в отложениях скв. Уткина заводь, что свидетельствует об относительно глубинных дисокисных и аноксических условиях осадконакопления в данной части морского бассейна (Подковыров и др., 2017).
Отложения котлинского горизонта (василеостровская и воронковская свиты) отчетливо разделяются на две ассоциации или две толщи пород. Первая из них -- пестрая по составу и преобладающая по распространенности толща (в пяти скважинах из шести) переменной мощности (рис. 1) -- представлена незакономерным переслаиванием песчаников с алевролитами, реже с аргиллитами. На графиках АМ и ГМ кривая изменения состава этих отложений имеет пилообразный характер. Вторая -- это весьма однородная по составу мощная толща (скв. Уткина заводь, 150 м), представленная умеренно и высокожелезистыми сидеритовыми алевроаргиллитами. Очевидно, что первая ассоциация осадочных пород отвечает прибрежным, мелководным фациям, а вторая -- относительно глубоководным условиям формирования осадочных отложений.