Литология промышленной пачки и условия образования прибалтийских горючих сланцев

В настоящее время литология сланценосной промышленной пачки Прибалтийского бассейна так же, как и условия образования самих горючих сланцев, выяснены недостаточно.

Более полная, чем в других работах по Прибалтийскому бассейну, петрографическая и минералогическая характеристика пород, слагающих промышленную пачку, содержится в статье Н.М. Насоновой. Что касается вещественного состава и условий образования горючих сланцев — кукерситов, то они затронуты в старой, однако и в настоящее время представляющей большой интерес работе М.Д. Залесского.

Классификационными признаками, которые послужили первым двум исследователям для выделения основных типов и разновидностей пород сланценосной толщи, явились соотношения содержания органического (сапропелевого) материала, карбонатов и глинистого (терригенного) вещества в рассматриваемых породах, а также состав скелетных остатков морских беспозвоночных и структурно-текстурные особенности пород. Породы промышленной пачки разделяются на две группы, связанные тесными переходами.

Первую группу составляют горючие сланцы. Схема классификации последних, по Н.М. Насоновой, приводится ниже (табл. 4).

Характерной особенностью микроскопического строения горючих сланцев — кукерситов является присутствие породообразующего органического вещества в виде бледно-желтой или буровато-желтой бесструктурной гомогенной основной массы, в которой в большом количестве присутствуют более темные — коричневые, черные, а в отраженном свете желтовато-белые, форменные элементы овальной и округлой формы размером от 0,01 до 0,08 ммк. Эти форменные элементы, впервые замеченные Л.Ф. Фокиным и подробно описанные М.Д. Залесским, рассматриваются последним как остатки древнейших ископаемых сине-зеленых водорослей, названных им Cloecapsomorpha prisca. Колонии последней в шлифе кукерсита представляются буроватыми комочками, густо распределенными среди янтарно-желтой (слизистой) массы.

При обработке такого комочка (крупинки кукерсита) хлоралгидратом М.Д. Залесский получал расправившиеся колонии с клеточной структурой. Водорослевая природа кукерсита у М.Д. Залесского не вызывала сомнения.

В самое последнее время Н.Л. Дилакторский на основании изучения тонких (3—6 р) срезов кукерсита подверг ревизии точку зрения М.Д. Залесского, высказав мнение о том, что в органической массе кукерсита (керогене) нет следов форменных элементов растительного или животного происхождения. Принимаемые М.Д. Залесским остатки клеток сине-зеленых водорослей в действительности являются пустотками, заполненными газом.

Несомненно, что дальнейшая разработка вопроса о природе кукерситов необходима и представляет интересную задачу. Следует подчеркнуть, что в кукерситах отсутствуют гелифицированные остатки высших растений, кутикула, примесь которых в органическом веществе горючих сланцев других бассейнов и месторождений может быть значительной.

Карбонатный материал, составляющий от 15 до 40% всей массы кукерсита, представлен микрозернистым кальцитом, зерна которого имеют неправильную форму и размеры от 0,01 до 0,05 мм. В одной разновидности сланца, слагающей слой A1 (IV), кроме кальцита, присутствует доломит в виде единичных крупных (до 0,14 мм) ромбоэдрических кристаллов, часто с хорошо выраженным зональным строением. Доломит обычно корродирует известковые остатки фауны.

Терригенная примесь (15—45%), распределенная в породе равномерно, состоит из алевритовой (измельченный кварц и полевой шпат) и глинистой частей. Последняя, по данным Н.Л. Дилакторского, имеет гидрослюдисто-монтмориллонитовый состав; предполагается также присутствие каолинита.

Пирит содержится в сланцах в виде рассеянных мелких скоплений и более крупных включений, связанных с остатками фауны. Количество его доходит до 3—5%.

Известковые остатки фауны беспозвоночных в сланце-кукерсите разнообразны и так многочисленны, что местами переполняют породу. Особенно много различных мшанок, нередки брахиоподы, остракоды, трилобиты, иглокожие и т. д.

Наряду с хорошо сохранившимися раковинами и другими остатками заметную роль играет перетертый неопределимый детрит.

В одних разновидностях сланца остатки животных организмов ориентированы в плоскости напластования и обусловливают наличие ярко выраженной слоистости, в других они расположены беспорядочно, иногда встречаются раковины захоронения в вертикальном положении.

Местами в сланцах по расположению остатков фауны хорошо заметна флюидальная текстура, связанная, возможно, с жизнедеятельностью илоядных.

В пределах всего бассейна в слое горючего сланца С (в Эстонии) и тождественном ему III слое промышленной пачки Гдовского и Веймарнского месторождений присутствуют многочисленные ходы илоедов, выполненные карбонатным веществом, резко выделяющимся своим светло-серым цветом на буровато-коричневом фоне породы.

Вторым по распространенности литотипом в промышленной пачке Прибалтийского бассейна являются известняки, разделяющие слои горючих сланцев или образующие внутри последних многочисленные линзы и более мелкие включения неправильной формы. Все эти карбонатные образования в той или иной степени являются органогенными. Состав породообразующих остатков фауны в известняках даже в одном слое подвержен изменениям как по вертикали, так и по напластованию, что связано с различием биоценозов и танатоценозов на отдельных участках дна бассейна. На это указывает Е.С. Тихомирова, приводя в качестве примера слой известняка С/D (двойная плита), который в нижней части представлен органогенно-детритовым, криноидно-мшанково-брахиоподовым известняком, в средней — органогенно-полидетритово-глинистой его разновидностью и в верхней — органогенно-детритовым известняком с водорослями.

В этом слое известняка, в его середине, наблюдается поверхность подводного размыва, к которой приурочены многочисленные ходы илоедов, заполненные карбонатным веществом более светлого цвета, чем остальная порода.

H.М. Насонова предлагает следующую схему классификации карбонатных пород промышленного пласта (табл. 5).

Ниже приводится краткая характеристика основных типов известняков по Е.С. Тихомировой.

1. Известняки биоморфно-детритовые, криноидно-брахиоподовые микрозернистые, обычно светло-серые с желтоватым и розоватым оттенками, иногда с неравномерным содержанием органического вещества (керогена) и с ходами илоедов, образуют невыдержанные прослои и конкреции на контакте слоев горючих сланцев А—A1, В и С, D и Е, а также присутствуют в качестве включения в слое G. На верхних поверхностях наслоения встречаются крупные поврежденные раковины брахиопод и скопления члеников криноидей. Разнообразие остатков беспозвоночных позволяет называть эти известняки полидетритовыми.

Беспорядочное расположение обломков раковин и наличие контрузивных текстур характерны для этого типа пород. Терригенный материал состоит из глинистых частиц и единичных зерен кварца.

2. Известняки органогенно-детритовые, криноидно-мшанково-брахиоподовые с редкими остатками водорослей, глинистые светло-серые со слабым желтоватым оттенком, крепкие, плотные, слагающие верхнюю часть пласта известняка, разделяющего слой горючих сланцев A1 и В, а также в нижней части слоя, отделяющего слои горючих сланцев C и D. Цементирующая скелетные остатки масса состоит из микро-и мелкозернистого кальцита с примесью крупных (до 0,3 мм) зерен. Кроме органических остатков криноидей, брахиопод, остракод, трилобитов и гастропод, таких же, как и в известняках первого типа, в данной разновидности встречаются обрывки колоний мшанок и остатки водорослей, близких к Girvanella, плохой сохранности.

Карбонатная часть составляет около 75—80% породы, терригенная — 10—15% и органическое вещество — до 5—7%.

3. Известняки органогенно-детритовые, криноидно-мшанково-брахиоподовые, окремнелые, светло-серые с розоватым и желтоватым оттенками, крепкие, участками перекристаллизованные, распространены в виде стяжений в нижней части слоя горючих сланцев. Поверхность конкреций часто пиритизирована. Характерны многочисленные каверны и пустоты со стенками, покрытыми идиоморфными кристаллами кальцита.

Остатки фауны слагают свыше 50% породы, как можно судить по шлифам. Известковые раковины брахиопод и членики криноидей часто замещены халцедоном. Карбонатная часть составляет 75—90% породы, органическое вещество — до 10% и терригенный материал — 3—10% (легкая фракция — кварц, полевые шпаты, гидрослюды; тяжелая — циркон, рутил, анатаз, лейкоксен, эпидот, гранат, биотит, хлорит и гидроокислы железа).

По трещинам в известняке отмечаются новообразования — пирит, марказит, гипс и крупные кристаллы кальцита.

Кроме перечисленных разновидностей известняков, в промышленной пачке есть и другие, указанные в табл. 5.

Таким образом, вторичные процессы в карбонатных породах промышленной пачки протекали довольно интенсивно. Отчасти это относится к доломитизации, которая хотя и не получила в промышленной пачке широкого развития, но затронула многие типы пород. Содержание CaMg (CO3) 2 в среднем не превышает 5—6%, и только некоторые конкреционные образования полностью представлены доломитом.

Другим постседиментационным процессом является перекристаллизация с образованием ярких блестящих в изломе породы крупных кристаллов кальцита по микрозернистой основной массе. Крупнокристаллический кальцит выполняет поры между обломками раковин, обычно состоящих из микрозернистого кальцита, или же крупными кристаллами кальцита сложены остатки беспозвоночных, а промежутки между ними заполнены микрозернистым кальцитом.

Внутриформационные размывы в промышленном пласте не являются редкостью. В ряде случаев они происходили в рыхлом грунте. Такой характер размыва отмечен, например, в средней части известняка «двойная плита», залегающего между слоями сланцев С и D.

Эпигенетические размывы наблюдались Н.М. Насоновой на границе указанного пласта известняка с горючим сланцем слоя D в разрезах шахты «Вийвиконна»; поверхность размыва неровная с «карманами», местами срезает крупные створки раковины брахиопод и колонии мшанок.

О сложном строении промышленной пачки горючих сланцев Эстонского месторождения, состоящей из нескольких чередующихся в разрезе типов пород, можно судить по рис. 11.

По условиям образования кукерситы Прибалтики существенно отличаются от других горючих сланцев Советского Союза. Их морское происхождение не вызывает никаких сомнений. Прежде всего об этом свидетельствует заключенная в них богатая и разнообразная стеногалинная и бентонная фауна беспозвоночных, обитающих в соленой воде с нормальным газовым режимом открытого моря. Частое переслаивание горючих сланцев с известняками, наличие в кукерситах массовых включений известняка, исключительная выдержанность даже тонких слоев сланцев на площади, измеряемой сотнями и тысячами квадратных километров, а также замещение кукерситов в краевой части Прибалтийского бассейна (на западе, юге и востоке) известняками с морской фауной подтверждают то, что фация горючих сланцев является не только морской, но и удаленной от береговой линии.

В настоящее время проблема реконструкции ландшафта области накопления кукерситов еще недостаточно разрешена. Можно лишь согласиться с Д.В. Наливкиным, что в современной фациальной обстановке наиболее близка к ископаемой фации прибалтийских горючих сланцев фация (сервия) иловых впадин, располагающихся в области шельфа в некотором удалении от берега на глубине порядка десятков метров. В этих впадинах отмечается наибольшая на дне моря концентрация органического вещества — до 7—8%, по Траску.

Формирование сланценосной толщи происходило при максимальном развитии ордовикской трансгрессии, в удалении от области сноса, представлявшей, по-видимому, равнинное пространство, слабо приподнятое над уровнем моря. Об этом свидетельствуют однородность и мелкозернистость терригенного материала, заключенного в сланцах, на 50% и более представленного кварцевыми зернами.

Ритмичный характер строения промышленной пачки (и всего ордовика Прибалтики), а также многочисленные незначительные перерывы в осадконакоплении (отмеченные в разрезе диастемами) указывают на слабые колебательные движения (пульсации) морского дна в эпоху сланценакопления.

А. Эпик, исходя из данных о составе и распространении фауны, считает, что сланцевые и известняковые слои образовались в спокойных однообразных условиях открытого моря в некотором удалении от берега и на достаточно большой глубине, при которой волнение не доходило до дна, о чем свидетельствует сохранность нежных форм отмерших организмов при захоронении, наличие безглазых трилобитов Ampyx гostratus и трилобитов с высоко сидящими глазами Asaphus robergi, Lichas inexpectatus, Cybele. Нет достоверных доказательств того, что сланцевые и известняковые слои, слагающие промышленную пачку, образовались на различных глубинах моря.

По мнению A. Лyxa, причиной чередования сланцевых и известняковых слоев являлись климатические изменения в связи с режимом морских течений.

Н.М. Страхов считает, что прибалтийские горючие сланцы образовались в мелководной прибрежной части моря, где накопление органического вещества было обусловлено обильным цветением планктона. Когда такого цветения не было, органическое вещество поедалось донной фауной и окислялось кислородом, заносимым волнением воды. В это время на дне накапливался CaCO3 в результате хемогенной садки и в виде скелетных элементов донной фауны и флоры. Осаждению CaCO3 особенно благоприятствовало повышение температуры. Карбонатный характер седиментации объясняется аридным режимом континента, омываемого бассейном. Привнос терригенного материала, по Н.М. Страхову, был главным образом с запада, из области островного моря грампианской геосинклинали.

Изучение геотектонических условий сланценакопления, закономерностей изменения вещественного состава пород, слагающих промышленный пласт, и характера распространения в нем фауны привели и других исследователей к выводу, что сланценакопление происходило в открытом море при относительно нормальном газовом режиме.

Характернейшей чертой кукерситов, по М.Д. Залесскому, является отсутствие в нем гумусового материала (студня), обычно находящегося в том или ином количестве в других горючих сланцах, что позволяет этому исследователю называть их древним морским сапроколлом.

К аналогичному выводу пришли и другие ученые, занимавшиеся изучением химической природы кукерситов. Интересные данные по этому поводу приведены в статье Б.К. Климова. Высокое содержание водорода в органической массе этих сланцев (до 9,77%) позволяет судить о сапропелитовом их характере. Противоречие возникает в связи с наличием в них до 10% (иногда более) фенолов ароматических углеводородов, что заставляло некоторых исследователей относить кукерситы к сапропелито-гумусовым образованиям. Если это последнее положение было бы правильным, то среди продуктов окисления кукерситов имели место бензолкарбоновые кислоты. Последние, однако, как было доказано П.К. Когерманом, в кукерситах отсутствуют.

П.К. Когерман предполагал, что исходным веществом керогена кукерсита было органическое вещество микроскопических водорослей и других планктонных организмов, но оно было сильно изменено, причем главная составная часть его — протеины — совершенно исчезли, о чем свидетельствует ничтожно малое содержание азота в керогене (0,2%). В образовании кукерсита принимали участие наиболее стойкие к переработке организмами соединения (воски, смолы) наравне с продуктами разрушения протеинов и целлюлозы, а также частично и продукты гниения организмов. Таким образом, кероген кукерсита, по П.К. Когерману, имеет смолистый или гуммифицированный характер и с генетической точки зрения может рассматриваться как копрогенное вещество с «синтетическим» образованием.

По Б.И. Иванову, исходным материалом керогена сланца служили простейшие водоросли, которые после отмирания при участии анаэробных бактерий претерпевали сложные изменения, из которых первичными были гидролиз с образованием уроновых кислот, формальдегида, аминокислот и других сложных продуктов распада. Одновременно с распадом растительных остатков происходил синтез новых веществ, главным образом гуминовых кислот. Жизнедеятельность анаэробных бактерий создавала восстановительную среду, что обусловливало реакции конденсации, ведущие к битуминизации органического вещества (образование высокополимерных веществ) и консервации части водорослей в их неизмененном виде.

А.С. Фомина, X.Т. Раудсепп и А.Я. Аарна на основе современных знаний состава и свойств керогена кукерсита приходят к общему выводу, что в образовании последнего участвовал большой комплекс морских живых организмов (растительного и животного происхождения), и что, попадая в донную зону водоема, органическое вещество отмерших организмов в основной своей массе окислялось, а в осадок попадали только наиболее стойкие к окислению вещества или продукты окисления.

По А.С. Фоминой, кероген образовался из органического коллоидного вещества, не сохранившего форменных остатков исходных планктонных и других организмов. Одним из компонентов материнского коллоидного вещества кукерсита были углеводные соединения, из которых путем разнообразных химических процессов синтезировалось высокомолекулярное органическое вещество, устойчивое к бактериальной жизнедеятельности и действию растворенного в воде кислорода. Ранняя литификация осадка создала консервирующие условия для захоронения органического вещества.

X.Т. Раудсепп в основу образования керогена кукерсита кладет реакции окисления, окислительную полимеризацию жировых компонентов отмерших организмов, наиболее устойчивых к окислению. Жировые компоненты, принимая вследствие поверхностного натяжения округленную форму, постепенно окислялись, полимеризовались и отвердевали, а с поверхности подверглись гидролизу и покрылись пленкой кальциевых солей.

Устойчивые высокомолекулярные соединения керогена образовались, по А.Я. Аарна, за счет разложения углеводов и белков, гидролиза жиров и образования гуминовых кислот. На дне водоема органическое вещество осаждалось в виде коллоида, который коагулировал, образуя капельки. Эти капельки М.Д. Залесский и принял за форменные образования сине-зеленых водорослей. Превращение органического вещества донного осадка в кероген сланца шло в условиях окислительно-восстановительной среды при активном участии бактерий. При уплотнении донного осадка создавалась восстановительная среда и шло затухание действия бактерий; основные изменения органического вещества при этом сводились к взаимному реагированию реакционноспособных групп и к его минерализации.