Литогеохимические особенности и условия формирования силурийско-раннедевонских вулканокластических песчаников разреза у деревни Мансурово (западно-магнитогорская зона, Южный Урал)
А.М. Фазлиахметов, кандидат геологоминералогических наук, старший научный сотрудник
На севере Западно-Магнитогорской зоны Южного Урала в окрестностях деревни Мансурово обнажена непрерывная последовательность кремнистых и обломочных пород. Ее возраст, установленный по немногочисленным фаунистическим данным и по положению в разрезе, - силур - ранний девон. На основе маршрутных наблюдений, определения литогеохимического состава граувакк по 47 образцам, опубликованным и фондовым материалам была произведена реконструкция обстановок седиментации, состава пород в источнике сноса и его геодинами- ческой позиции.
Седиментация протекала в глубоководных условиях, которые оставались стабильными на протяжении всего времени формирования разреза. Обломочный материал поступал посредством турбидных и обломочных потоков. Интенсивность этих процессов испытывала периодические изменения.
Кластика представлена преимущественно вулканитами основного состава. Им подчинены обломки кремней, глинистокремнистых пород и известняков, хотя в некоторых слоях они содержатся в больших количествах. По результатам построения диаграмм М. Херрона, Ф. Петтиджона, М. Бхатии, Б. Розера, Р. Корша, анализа величин гидролизатного, железного, феми- ческого, титанового модулей, показателей степени выветривания CIA и CIW, состав песчаников соответствует основным вулк- канокластическим грауваккам, распространенным в акваториях энсиматических островных дуг. Степень химического выветривания обломочного материала низкая.
Литогеохимический состав граувакк остается практически неизменным по разрезу. Лишь величина алюмокремниевого модуля и содержание кремнезема испытывают изменения, вероятно сопряженные с примесью обломков кремней и кислых вулканитов. По значениям алюмокремниевого модуля в нижней части разреза выделено три контрастно отличающихся интервала.
Породы верхней части разреза серицитизированы и имеют повышенное содержание оксида калия - в среднем 2,4%, тогда как в нижней части разреза этот показатель не превышает 1,5%. Это объяснено проявлением калиевого метасоматоза.
Ключевые слова: граувакки, турбидиты, силур, ранний девон, геохимия, обстановки седиментации, Магнитогорская островная дуга, Южный Урал
A.M. Fazliakhmetov
LITHOGEOCHEMICAL FEATURES AND SEDIMENTARY ENVIRONMENTS OF THE SILURIAN-EARLY DEVONIAN VOLCANICLASTIC SANDSTONES IN THE VICINITY OF MANSUROVO VILLAGE (WEST-MAGNITOGORSK ZONE, SOUTH URALS)
In the north of the West-Magnitogorsk zone of the South Urals, there is a continuous sequence of sandstones, breccias and cherts exposed near the village of Mansurovo. Its age determined by predecessors according to a few faunistic data and position in the section is Silurian and Early Devonian. Field observations, determinations of geochemical composition of greywackes using 47 samples, and also published and unpublished materials enabled the reconstruction of sedimentary environments, rock composition in the source area and its geodynamic position.
The sedimentation occurred in deep-water environments that remained stable throughout the formation period of the section. The clastic material was delivered by turbid and debris flows. The intensity of these processes underwent periodic fluctuations.
Debris is mainly represented by basaltic and andesitic volcanic rocks. Fragments of cherts, clay-siliceous rocks and limestones are subordinate, although in some layers they are found in large amounts. Judging from the diagrams constructed according to Herron, Pettijohn, Bhatia, Roser and Korsch, analysis of (Al2O3+TiO2+ Fe2O3+FeO+MnO2)/SiO2, TiO2/Al2O3, (Fe2O3+FeO+MnO)/(TiO2+ Al2O3), (Fe2O3+FeO+MnO2+MgO)/SiO2, Chemical Index of Alteration and Chemical Index of Weathering, the composition of sandstones corresponds to low-silica volcaniclastic greywackes widespread in oceanic island-arc areas. The extent of chemical weathering of detrital material is low.
The lithogeochemical composition of greywackes remains practically unchanged in the section. Only the magnitude of Al2O3/ SiO2 ratio and the content of SiO2 undergo changes probably associated with an admixture of chert and felsitic volcanic rock fragments. According to the values of the Al2O3/SiO2 ratio, three contrastingly different intervals are identified in the lower part of the section.
The rocks of the upper part of the section have an increased content of potassium oxide (an average of 2,4%), whereas in the lower part of the section it does not exceed 1,5%. This is explained by the occurrence of potassium metasomatism.
Key words: greywackes, turbidites, Silurian, Early Devonian, geochemistry, sedimentary environments, Magnitogorsk island arc, South Urals
Введение
В разрезе у д. Мансурово, около города Учалы Республики Башкортостан, в непрерывной последовательности обнажены отложения ордовика, силура, нижнего и среднего девона. Подобных ему в ЗападноМагнитогорской зоне нет.
Этот факт объясняет важность изучения данного разреза с целью реконструкции истории геологического развития Магнитогорской мегазоны со времени заложения Палеоураль- ского океана до масштабных проявлений островодужного вулканизма (с ордовика по конец раннего девона). Несмотря на это за предшествующие несколько десятилетий изучением разреза у д. Мансурово занимались мало. Наиболее детально он был исследован Б.М. Сад- рисламовым [1] и И.С. Анисимовым [2; 3]. Благодаря их работам появилось детальное описание разреза и петрографическая характеристика слагающих его пород. Немногочисленные биостратиграфические данные были получены О.А. Нестояновой, И.С. Анисимовым, В.А. Масловым, О.В. Артюшковой, Е.В. Чибриковой, В.А. Олли, А.В. Рязанцевым и А.А. Беловой.
В настоящее время появились возможности дополнить результаты упомянутых исследователей. Прежде всего, это вызвано успехами геохимии. Сегодня разработаны подходы к генетической интерпретации литохимического состава песчаников, которые были применены к отложениям, обнаженным у д. Мансурово. Изложение результатов этих работ служит целью данного сообщения.
Краткая характеристика разреза
Разрез расположен в 20 км к северо-северо-западу от города Учалы Республики Башкортостан, непосредственно к северу от д. Мансурово, на южных склонах гор с вершинами 544,2 и 571,4 м, по левому (северному) берегу руч. Шартымка (рис. 1).
Данный разрез детально описан Б.М. Сад- рисламовым [1], И.С. Анисимовым [2; 3], В.А. Масловым [4; 5] и др. В связи с этим нет необходимости приводить его послойное описание. Согласно данным упомянутых исследователей и нашим маршрутным наблюдениям разрез представляет собой последовательность псефито-псаммитовых и глинисто-кремнистых пород. Их падение восточное 120-140° под углами 45-60°. Мощность около 1000 м.
В основании разреза залегают тонкослоистые серые и темно-серые кремни с конодонтами ордовика [6]. Подстилаются они базальтами и известняками [1-3].
Из нижней части разреза известны находки силурийских граптолитов [1-3; 7], из средней - силурийских акритарх [8] (см. рис. 1). Перекрывается силурийско-раннедевонская последовательность обломочных и кремнистых пород пироксеновыми и пирок- сен-плагиоклазовыми порфиритами ирен- дыкской свиты [2; 4].
Отложения, залегающие ниже порфиритов, выделяется в самостоятельную мансуровскую толщу. Однако ее нижняя граница, как и граница силура с девоном, проводятся разными авторами в разных местах (см. рис. 1). В связи с этим термин «мансуровская толща» далее не употребляется.
Стоит отметить, что при дешифрировании аэрофотоснимков Е.В. Чибрикова и В.А. Олли [8] обнаружили различия в простирании пород нижней и верхней частей разреза. На этом основании они сделали вывод о наличии разрывного нарушения, отделяющего силурийские отложения от близких по облику девонских. Стереоскопический анализ аэрофотоснимков не позволил нам подтвердить эти результаты. Простирание пород повсеместно север-северо-восточное. Исключение составляет невысокий отрог, на котором были отобраны образцы с 15-121 по 15-125 (см. рис. 1). Простирание пород на нем северо-восточное - приблизительно на 30° больше, чем в окружении. Однако это отличие, по всей видимости, не служит явным свидетельством масштабных разрывных дислокаций.
Рис. 1. Схема расположения находок фауны, стратиграфических границ и точек литохимического опробования в разрезе к северу от д. Мансурово
Условные обозначения: 1 - находки ордовикских конодонтов (а) и силурийских акритарх (б); 2 - примерное положение находок силурийских граптолитов: а - О.Н. Нестояновой, Т.Н. Корень и Б.М. Садрисламова по [1]; б - шурфы с находками силурийских граптолитов [2]; 3 - точки литохимического опробования и их номера; 4 - положение границы силура и девона по разным авторам (источники подписаны), 5 - железная дорога к Мансуровскому месторождению гранитов (а) и ручьи (б); 6 - положение изученного разреза на карте Республики Башкортостан
Обломочные разности представлены алевролитами и песчаниками всех гранулометрических классов, микститами щебнево- дресвяно-псаммитовыми и др. Ими сложены слои мощностью от 0,5 до 3 м.
Цикличность разреза проявлена многократным чередованием слоев кластолитов с градационной сортировкой и глинисто-кремнистых пород, причем эти разности распределены в разрезе неравномерно. Это позволило И.С. Анисимову [2] выделить пять макроциклитов, начинающихся и завершающихся интервалами с преобладанием кремнисто-тонкообломочных пород, а в средней части сложенных преимущественно грубозернистыми песчаниками и микститами.
Детальные петрографические описания кластолитов каждого из макроциклитов выполнены И.С. Анисимовым [2]. Согласно его данным, состав обломочного материала меняется несущественно как от одного макроциклита к другому, так и внутри каждого.
Наши петрографические наблюдения, к сожалению, оказались не столь успешными. В подавляющем большинстве шлифов определить изначальный состав обломков невозможно - все они замещены вторичными минералами - серицитом, хлоритом, эпидотом, кварцем, кальцитом и др. Определенно распознается обломочная структура в крупнозернистых песчаниках и более грубых разностях. В единичных шлифах определяются уплощенные обломки кремнистых и кремнисто-глинистых пород, зерна микрокристаллических известняков, монокристаллы кальцита, пироксена, практически полностью замещенного плагиоклаза. Иногда встречаются обломки с реликтовой порфировой структурой.
Тонкослоистые породы с разной частотой встречаются по всему разрезу. В нижней его части преобладают темно-серые, почти черные углисто-глинисто-кремнистые сланцы. В верхней - зеленовато-серые и серые кремни и кремнисто-глинистые сланцы.
Геохимическая характеристика песчаников и особенности петрофонда
разрез песчаник литогеохимический
Образцы грубо- и крупнозернистых песчаников в количестве 47 штук были отобраны по всей мощности разреза. В химической лаборатории ИГ УФИЦ РАН в них было установлено содержание оксидов петрогенных элементов методами «мокрой химии» (аналитик С.А. Ягудина) и содержание Cr, Co, Ni, Cu и Zn методом атомной абсорбции (аналитик Н.Г. Христофорова). В шести образцах посредством рентгеновского флуоресцентного анализа было определено содержание Sc, V, Cr, Rb, Sr, Zr, Ba, Ce (спектрометр VRA-30, аналитики Юлдашбаева В.Ф., Мичурин С.В.).
На классификационной диаграмме М. Херрона [9] фигуративные точки состава песчаников расположились в поле железистых сланцев и в меньшей мере собственно сланцев (рис. 2), что свойственно вулканокластическим песчаникам ЗападноМагнитогорской зоны [10]. На классификационной диаграмме Ф. Петтиджона [11] все без исключения точки попали в поле граувакк. На факторной диаграмме F1-F2 [12], служащей для идентификации состава пород в источнике сноса, все точки легли в область кластолитов первого цикла седиментации базальтового и в меньшей мере андезитового состава, тогда как на диаграмме (FeO*+MgO)/(Al2O3+K2O)-SiO2 по [13] - в поле андезит-диоритового состава.
Детализировать состав обломочных пород позволяет также анализ литохимических модулей, внедренных в широкую практику литохимических исследований Я.Э. Юдовичем и М.П. Кетрис [14]. Величины гидролизатного модуля (ГМ=(А12О3+ТЮ2+ Fe2O3+FeO+MnO2)/SiO2) колеблются в исследованных песчаниках в интервале 0,40-0,55, составляя в среднем 0,48. Содержание MgO варьирует в пределах 2,4-7,6%, а в среднем ровно 4,4%. Величина железного модуля (ЖМ=(Fe2O3+FeO+MnO)/(TiO2+A12O3)) не превышает 0,75. Эти показатели, в соответствии с литохимической классификацией [14] позволяют отнести исследуемые песчаники к псевдосиаллитам. Представители этого класса среди нормальных осадочных пород встречаются редко. Как правило, они являются пирогенными породами, например, ба- зитовыми туффоидами, бентонитовыми глинами, сформированными по туфам или, как в данном случае, основными вулканоклас- тическими граувакками. Значение фемичес- кого (ФМ=(Fe2O3+FeO+MnO2+MgO)/SiO2) и титанового (ТМ=ТЮ2/А12О3) модулей, колеб- лящихся в интервалах 0,18-0,34 и 0,03-0,06, соответственно, подтверждают данный вывод.
Индексы CIA и CIW (CIA=100XA12O3/ (А12О 3+CaO+Na2O + K2O) [15];
CIW=100xA12O3/(A12O3+CaO+Na2O) [16], рассчитывается по молекулярным количествам) отвечает незрелым осадочным образованиям. Пределы их вариации составляют 38-63 и 39-79, а средние значения - 47 и 49, соответственно.
Геодинамические условия, в которых были сформированы вулканиты, мобилизованные в источнике сноса, могут быть реконструированы на основе имеющихся в нашем распоряжении литогеохимических данных при помощи нескольких диаграмм (рис. 2).
На диаграммах по [17-19] фигуративные точки состава песчаников расположились в пределах или в непосредственной близости от полей, отвечающих обломочным отложениям энсиматических островных дуг. Положение некоторых точек на полях, соответствующих другим геодинамическим обстановкам, вероятно, обусловлено примесью обломков известняков, кремней и глинисто-кремнистых сланцев, а также вторичными преобразованиями (калиевый метасоматоз и др.).
Рис. 2. Положение фигуративных точек состава песчаников разреза у д. Мансурово на диаграммах М. Херрона (а) [9], Ф. Петтиджона (б) [11], Т. Кусуноки и М. Мусашино (в) [13], М. Бхатии (г) [17], Б. Розера и Р Корша (д) [18], Д. Мейнарда (е) [19].
Таким образом, исследуемые граувакки являются отложениями, сформированными в первом цикле седиментации при накоплении продуктов мобилизации преимущественно основных (базальтов, андезибазальтов) магматических пород энсиматической островной дуги. Интенсивного химического выветривания обломочного материала не происходило.