Permian evaporite strata of the World - a brief review of possible analogs of the Kungurian salt of the Pre-Caspian mega-basin

Full Text

Введение

Метод аналогий был и остается одним из  самых надежных способов получения знаний о Земле. Как правило, речь идет об идентификации объектов, имеющих сходную историю структурно-тектонического развития, что позволяет предположить и некоторую общность геологического строения, что актуально для перенесения представлений, полученных при анализе хорошо изученных объектов, на те объекты, информации о которых недостаточно. Прикаспийский мега-бассейн, несомненно, относится к таковым. Несмотря на 125-летнюю историю более или менее систематического изучения, значительная часть его разреза, особенно в наиболее погруженной центральной части остается практически неисследованной. Авторы уже обращались к теме использования аналогов [1], предлагая в качестве таковых бассейны Тарим (Китай), Каннинг (Австралия) и бассейн Мексиканского Залива и Пермский (США); последний был выбран в качестве наиболее близкого и наиболее изученного.

В то же время, далеко не все  особенности строения  укладываются в, главным образом, историю тектонического развития, имея при этом существенное влияние, например, на формирование и функционирование углеводородных систем и, вообще, распределение полезных ископаемых. К таковым, в частности, относится наличие периодов существования солеродных бассейнов и их специфика по отношению к возможным аналогам. Мощнейший соленосный комплекс Прикаспийского мега-бассейна формировался главным образом в конце раннепермского времени, но оказывал значительное влияние на условия осадконакопления практически до завершения триасового периода.

Пермо-триасовый интервал геологической истории был временем достаточно экстремальных условий связанных с необычно теплым климатом и засушливыми условиями на огромных территориях, которые вместе с «избыточной» вулканической активностью привели к нескольким кризисам животного и растительного мира. В это время на территории суперконтинента Пангея (рис.1) были широко распространены системы соленых озер с повышенной кислотностью, а на погружениях окраин формировались глубокие области авлакогенов (будущих палеобассейнов). Это подтверждается различными глобальными реконструкциями: Скотези, Блэйки и Голонки (Blakey, 2013 [2]; Scotese, 2016 [3]; Golonka, 2012 [4] и 2023 [5]).

Рисунок 1

            Анализ обширной базы данных по 760 осадочным бассейнам Мира, показали, что эвапоритовые комплексы чаще всего встречаются в депрессиях пассивных окраин и предгорных прогибах. Всего было выявлено 369 стратиграфических интервалов с этими разностями, с двумя отчетливыми максимумами в позднепермское и позднетриасовое время (Evenick, 2021 [7]).

Области с мощными толщами эвапоритов пермского периода описаны в центральной Европе и на западе России. К основным обьектам следует отнести раннепермские соляные отложения Баренцева Моря (свита Орн), кунгурские разрезы Прикаспийской впадины, верхнепермские комплексы Цехштейна в Германии и бассейне Северного Моря. Отмечаются хорошо задокументрированы различные разрезы юго-запада США, группа Фенгченг Джунгарского бассейна (Китай), и свита Хуфф Ближнего Востока (рис.2).

Рисунок 2

В триасе эвапориты связаны преимущественно с рифтовыми бассейнами Северной Америки, Африки и Европы, хотя возрастные границы в многих из них определены неточно (Evenick, 2021). Раннетриасовые и возможно верхнепермские разности описаны на восточном побережье Северной Америки (Плато Блэйк и Трог Каролины) и в бассейне Сычуань в Китае. Сюда, вероятно следует также отнести разрезы среднего триаса Южной Америки и верхнетриасовые в Мозамбике, Ближнем Востоке и Северной Африке.

Следует также отметить, что площади, занимаемые многими пермскими солеродными бассейнами, были не меньше, а зачастую и больше, чем площадь Прикаспийского бассейна (около 500 тыс. км²).

 

Эвапоритовые системы пермского времени

Свита Khuff (P-T), Аравийский полустров

            Свита Хуфф (Khuff), датируемая пермо-триасовым временем, выходит на поверхность в центральной части Саудовской Аравии вдоль ориентированного с севера на юг пояса протяженностью более 1200 км (рис.3). Её средняя мощность составляет 170 м, и в строении снизу вверх по разрезу, выделяют пять последовательных пачек: Аш-Шикка (Ash Shiqqah, ранее Унайзах - Unayzah), Хукайль (Huqayl), Духайсан (Duhaysan), Мидхнаб (Midhnab) и Хартам (Khartam). В основании свиты отмечается региональная поверхность несогласия с протерозойским фундаментом или нижнепалеозойскими отложениями. В кровле её согласно перекрывает региональная покрышка - свита Судиар (Sudair) представленная преимущественно глинистыми разностями с прослоями ангидритов, глинистых карбонатов и песчаников, откладывавшихся в условиях приливно-отливных равнин, лагун и глинистого побережья. Свита датируется нижнетриасовым (оленекским 251.2-247.2 млн лнт) возрастом. Тектонически условия формирования этих комплексов связаны с пассивной континентальной окраиной покрытой обширной шельфовой областью [9].

Рисунок 3

            Пачка Аш-Шикка сложена темно-зелеными и буровато-красными разноцветными песчанистыми аргиллитами с прослоями гипса, и желтовато-серыми песчанистыми доломитами в основании. Местами отмечаются оползни, окрашенные в более ярко-бурые цвета окислами железа. В средней части присутствуют светло-серые мелкозернистые песчаники с косой слоистостью. В кровле отмечаются глинистые биокластические доломиты с водорослевыми прослоями и трещинами усыхания. Возраст пачки среднепермский (капитанский, соответствует северодвинскому ярусу татарского отдела 264.3-259.5 млн лет), Суммарная мощность до 35 м, а условия отложения – соляные марши и континентальные лагуны приливной полосы.

            Пачка Хукайль мощностью 30–40 м, представленная чередованием голубовато-серых гранулярных биообломочных доломитов, в кровле – со следами биотурбации и зеленоватыми, желтоватыми доломитистыми и гипсовыми аргиллитами. Обстановки осадконакопления - различные участки себх, местами попадавших под воздействие приливов и отливов.

            Пачка Духайсан, мощностью 13,5 м, залегает на частично переработанной поверхности отложений Хукайль. Она представлена светлыми глинистыми доломитами, с прослоями биокластики и пелоидных включений в основании. Средняя часть пачки – глинистая, сложена доломитистыми и гипсоносными светло-серыми до белого аргиллитами. В кровельной части встречены плитчатые светлые мелкозернистые пелоидные известняки со следами биотурбации, водорослевыми прослоями и трещинами усыхания. Условия формирования приливно-отливная полоса с ограниченным влиянием моря, в основании – возможно влияние литоральной области.

            Мидхнаб, общей мощностью в 60 м, преимущественно глинистого состава, с прослоями известняков лагунного происхождения, глинистых и/или обогащенных гипсом желтоватых или голубоватых доломитов. В основании отмечается 2-м. конгломератовый прослой переработанных доломитовых известняков. Обстановки осадконакопления связаны с обширной и хорошо ограниченной от воздействия открытого моря шельфовой областью с многочисленными лагунами. Возраст определен как Чангсингский (вятский, 254.1-251.9 млн лет), верхняя пермь.

            Разрез свиты Хуфф завершается группой пластов Хартан, мощностью около 37 м. В ней выделяется две части – нижняя (15 м), сложенная пелоидными известняками, ракушечниками и доломитистыми аргиллитами обагощенными терригенным материалом песчано-алевролитовой размерности. Отмечаются прослои охристых, железистых биокластических доломитов. Этот интервал относится к самой верхней Перми. На ней согласно залегает вторая часть, датируемая нижним триасом (Скифский или индский ярус 251.9-251.2 млн лет), мощностью более 30 м. Триасовые разности представлены чередованием доломитов, в различной степени заглинизированных и кальцитизированных, и известняков ракушечного, оолитового и микрокристаллического (строматолитового) типа. Условия формирования – преимущественно приливно-отливная полоса побережья и смежные литоральные области.

Свита Фэнчен Fengcheng (С-P), Джунгарский бассейн, северо-западный Китай.

            Сравнительно недавно появились результаты работ, указывающие на существование эвапоритовых комплексов верхнего палеозоя в бассейне Джунгар, расположенном на северо-западе Китая. Согласно последним данным, возраст этих отложений определен как верхнекаменноугольный -раннепермский (касимовско – ассельский, 305–296 млн лет, т. е. (Tingting Wang, 2022 [11]). Их накопление происходило в серии грабенов растяжения, и в условиях хорошо стратифицированных пересоленных озер. Данные геохимии указывают на вероятную их связь с вулканической активностью региона, которая внесла заметный вклад в формирование отложений карбоната натрия - троны (двойные соли, содержащие карбонат и гидрокарбонат натрия Na₂(CО₃)-Na(HCО₃)-2H₂О), и последующее частичное замещение на вегшейдерит Na₅[CO₃](HCO₃)₃ и нахколит (NaHCO₃). На границе Каменноугольного и Пермского периодов, во время поздне-Палеозойского оледенения, Джунгарский бассейн находился на отметках 45–50 N от палеоэкватора. Данные палеогеографии (обширные области озер) и глобальные реконструкции позволяют предположить существование здесь относительно теплого и засушливого климата.

            Геохимические материалы (биомаркеры) указывают, что общие условия формирования этой свиты связаны с областями аноксии, в пересоленых стратифицированных обширных лагунах. Здесь выделяется три последовательные пачки (цикла) седиментации, в верхней из которых отмечается влияние притоков более пресных вод и связанных с ними органики. Центральная область лагуны находилась под воздействием гидротермальных источников, а окраинные области – вероятной вулканической активности, выраженной в поступлении обильного глинистого материала и повышении уровня кислорода.

Свита Эвапориты Порта Белфаст (Belfast Harbour Evaporite), Северная Ирландия (Р-Т?)

Породы этой свиты, мощностью около 180 м, выделяются в бассейне Ларни (Larne), расположенном в Северной Ирландии. Этот палеобассейн представляет собой вытянутую с северо-востока на юго-запад структуру, образовавшуюся в Карбоне на древнем террейне Мидлендская Долина и по сравнению с другими палеозойскими разрезами еще недостаточно изучен. Подстилающие свиту Эвапориты Порта Белфаст породы представлены песчанистыми известняками свиты Магнезиальные Известняки (Magnesian Limestone) с обилием гастропод и двустворок (Andeskie, 2021 [12]). Эвапориты Порта Белфаст датируются Гваделупским - Лопингианским возрастом (264 - 259.5 млн лет, северодвинский ярус татарского отдела), преимущественно на основании миоспоровых комплексов, перекрывающих его глинистой толщи (White Brae Mudstone) Аргиллиты Уайт-Брей. Точная граница перми и триаса в этих разрезах пока не проведена.

            Среди литологических разностей в разных количествах присутствуют ангидриты, гипсы, аргиллиты, алевролиты, оолитовые и микритовые известняки, и брекчии. В 2015 г. здесь, в графстве Антрим была пробурена опорная скважина Айлендмейджи (IM-1). В ней для изучения соленосности пермского разреза отобрали 177,5 м керна, в составе которого были обнаружены аргиллиты, ангидрит, каменная соль (преимущественно галит) и базальты. В настоящее время детальные фотографии, петрографические отчеты и оставшийся каменный материал (около 25% керна было использовано) находятся в кернохранилище Геологической Службы Северной Ирландии в г. Белфаст.

            Результаты детального седиментологического, геохимического и спектрального анализа этого разреза выполненные в Университете Западной Вирджинии (США), показали наличие слоистого галита (до 67% разреза) и, в подчиненных количествах (порядка 2%), ангидрита и аргиллита. Эти разности пересекали интрузии базальтового состав, которые составляли до 3% общей мощности. Остальные 26% разреза остались не охарактеризованы каменным материалом. Пласты галита характеризуются постепенной сменой окраски снизу вверх по разрезу от мутной светло-серой к розовой, отдельные слои от 0,5 до 1,5 см., и содержат разнообразные осадочные текстуры. Эвапоритовый разрез завершает толща ангидрита (Andeskie, 2020 [13]). Встречаются три типа кристаллов галита: а) шевронные, растущие на дне; в) корнетовые «кульковые», растущие на дне; и с) «цветущие» корки поверхности. Первые два типа начинают свое формирование на плоской поверхности и нарастают вверх, в них отмечается обилие газо-жидких и глинистых включений. В них редко встречаются тонкие глинистые прерывистые покровы - корки. По всему разрезу в галите отмечены многочисленные твердые включения кристаллов сильвина. Отдельные вертикальные цилиндрические трубки, вероятно полости выщелачивания, выполнены чистым галитом. Глинистые разности присутствуют в некоторых прослоях с резкими контактами в кровле и подошве. Массивные аргиллиты сложены зернами алевролитовой размерности, окатанными и отсортированными с окраской от темно-серой до кирпично-красной. В других интервалах встречается обильная волнистая и прерывистая слоистость, интракласты, косая слоистость восходящей ряби и трещины усыхания. В качестве диагенетических изменений присутствует цементация и заполненные галитом трещины.

Вулканические интрузии темного почти черного цвета, на контакте с галитом – зеленого, представлены базальтом. Вмещающие породы вокруг них покрыты сетью трещин, в отдельных случаях базальты также трещиноваты, а трещины в них выполнены галитом. Обстановка осадконакопления интерпретируется как обширное соленое озеро (или система озер), окруженное глинистыми равнинами, и относятся к континентальному типу. Воды жидких включений относятся к непродолжительным мелководным водоемам приповерхностных областей.

Свита Орн (Orn) С₃-Р_2-3, Норвежский сектор Баренцева моря

            Свита получила свое название от Норвежского «Оёрн» - орел, вероятно из-за того, что на северном побережье встречается по крайней мере три вида этой птицы. Мощность меняется от 150 до 200 м, а в погруженных частях возрастает до 1000 м. Представлена преимущественно мелководно-морскими разностями карбонатной платформы и переслаиванием карбонатов и эвапоритов в более дистальных, бассейновых частях. В карбонатах присутствует значительно количество биоты теплых вод, с преобладанием небольших фораминефер, фузулинд и кальцитовых водорослей. В разрезах также отмечаются остатки лилий (криноидей), мшанок, брахиопод и кораллов. Терригенные породы выделены в очень незначительных количествах, а ритмичное строение толщи связано с чередованием карбонатных, а в более дистальной части карбонатных и эвапоритовых разностей.

            Литологически отложения свиты представлены известняками, доломитами и эвапоритами, с подчинённым количеством мергелей и аргиллитов, приуроченных к верхней части разреза. Отмечаются доломитовые ваккиты и плотные разности (баундстоуны) с обилием водорослевых фрагментов, которые интерпретируются как рифовые постройки (холмы). С ними связаны интервалы зернистых разностей с ангидритовой цементацией и желваками, интерпретируемые как образования протяженной карбонатной платформы.

            В более глубокой и мощной части разреза свита сложена светло-серыми и коричневатыми доломитистыми аргиллитами и плотными пакстоунами. Они чередуются со светло-серыми и белыми ангидритами, доля которых заметно возрастает в сторону депоцентра. По данным керна ряда скважин в основании отмечаются толщи ритмичного переслаивания темных зеленовато-серых карбонатных аргиллитов и светло-серых известняков обагощенных животными остатками и кремнистыми конкрециями. Они постепенно замещаются на тонкие чередования доломитов и ангидритов в осадочной массе с преобладанием галита.

            По данным комплексной интерпретации сейсморазведки, свита Орн формировалась в результате частых колебаний уровня моря с большой амплитудой (Hassaan, 2020 [14]). Области терригенной седиментации оказывались погруженными, и на их месте в условиях мелководья начиналось формирование разнообразных комплексов карбонатных платформ. Вверх по разрезу они сменялись на комплексы полупустынных побережий представленных себкхами, с которыми связаны мощные доломитовые глинистые толщи с ангидритовыми желваками. В более погруженных частях отмечаются рифовые образования, полученные в результате наложения друг на друга нескольких построек. Их разделяют интервалы переслаивания карбонатов (при высоком стоянии уровня моря) и ангидритов (при последующем понижении). В центральных частях палеобассейнов, в результате частичной или почти полной изоляции, формировались отложения солей (галита).

            Крупное затопление произошедшее на границе ассельского и сакмарского века (293,5 млн лет) привело к смене режима седиментации на платформах. Верхняя часть свиты характеризуется ритмичными переслаиваниями с преобладанием мергелей внешних частей шельфа и ваккитов переходящих в плотные пакстоуны. Результаты переобработки сейсмики и скважинных данных позволили выделить в пределах Норвежского сектора Баренцева Моря (Финской платформы) семь глубоко расположенных грабенов каменноугольного возраста, в пяти из которых обнаружены расположенные стратиграфически выше толщи эвапоритов (Hassaan, 2020).

Эвапоритовые комплексы Пермского возраста Южной Америки

            Бассейн Солимоес (Solimоes) находится на севере Бразилии, где занимает площадь более 600 тыс. км², из которой около 400 тыс. км² связано с палеозойскими отложениями. Вместе с расположенном на востоке бассейном Амазонас он образует отчетливую внутриконтинентальную структуру, ориентированную с запада на восток. Протяженность этой депрессии оценивается в 2500 км, при ширине в 500 км и мощностях осадочного чехла до 5000 м. Большая часть этих бассейнов находится в труднопроходимой тропической области южно-Американской сельвы. Восточная оконечность обособляется в отдельный суб-бассейн Джуруа (Jurua) в котором выявленые промышленные залежи УВ.

            Здесь выделяется четыре крупные цикла палеозойских комплексов, разделенные поверхностями несогласия (Gonzaga, 2000 [15]). На начальной стадии Каменноугольно-Пермского цикла здесь происходило отложение субконтинентальных комплексов. В основании развиты покровы, эоловых песчаников свиты Джуруа (Jurua) которые вверх по разрезу переходят в ритмичную тощу (1300 м) чередования карбонатов и эвапоритов свиты Карауари (Carauari). Последовательность завершается толщей флювиальных и красноцветных лагунных разностей, обьединенных в свиту Фонте Боа (Fonte Boa). Во время этого цикла первый раз за свою историю обе структуры – Солимоес и Амазонас были обьединены в один палеобассейн.

            Бассейн Амазонас (Амазонский) расположен на севере Бразилии и занимает площадь в 500 тыс. км². Его осадочные породы залегают на докембрийских разностях Гайянского щита, а на юге – Центрально-Бразильского щита, выходящего на поверхность по краям. Породы фундамента представлены в основном изверженными и метаморфическими разностями, однако на западе здесь также присутствуют протерозойские рифты выполненные аллювиальными, флювиальными и лагунными породами группы Пурус (Purus). Максимальная мощность осадочного чехла в центральной части оценивается в 5000 м. Верхнепалеозойский цикл начинается здесь в раннем Пенсильвании (323.2 млн лет, башкирский ярус) и объединён в группу Тапахос (Tapajós), сходную по строению с циклом бассейна Солимоес. В основании развиты покровы эоловых песчаников свиты Монте Алегре (Monte Alegre). Перекрытых карбонатами и эвапоритами свит Итайтуба и Нова Олинда (Itaituba, Nova Olinda), максимальной мощности до 1600 м, в которых в подчиненных количествах пристутствуют песчано-глинистые прослои. Разрез завершает красноцветная толща свиты Андира (Andirá), пермского возраста.

            Бассейн Паранаиба находится на северо-востоке Бразилии, где занимает площадь в 600 тыс. км². Он представляет собой депрессию округлой формы, с максимальными мощностями отложений в центральной части до 3500 м. Этот бассейн по периметру окружен практически непрерывной последовательностью обнажений, которые позволяют детально изучить разрез палеозоя. Это достаточно сложная в тектоническом плане структура, в которой пересекаются Транс-Бразильская зона разлома и Океаническая зона Разломов Романш. В пределах Паранаибского палеобассейна они были выражены в виде широкой полосы поверхностных и глубинных деформаций и контролировали древние авлакогены и депоцентры палеозоя.

            Осадочный разрез бассейна Паранаиба состоит из трех палеозойских и двух мезоойских комплексов. Пермский этап его развития связан со структурной перестройкой и сменой обстановок седиментации. Форма депоцентра меняется с продолговатоого грабена на более изометричную – округлую. При этом накопление отложений происходит во внутриконтинентальной депрессии с ограниченной циркуляцией и постепенным возрастанием палеотемператур. Группа Балсас (Balsas) пермско-триасового возраста представлена обломочно-эвапоритовыми разностями: мелко- и среднезернистыми песчаниками, бурыми аргиллитами с подчиненным количеством известняков и оолитов, белыми ангидритами с желтоватыми песчаниками свиты Педра де Фого (Pedra de Fogo). Эвапоритовые разности также присутствуют в свите Мотика (Motuca), которую перекрывают эоловые песчаники свиты Самбайба (Sambaíba).

            В бассейне Парана, расположенном в центральной части Бразилии, и распространяющемся на территории соседних стран: Парагвай, Аргентина и Уругвай выделяется шесть крупных лито-стратиграфических мега-циклов. В основании первого суперцикла (Гондвана-1), залегающего в основании 7000-м разреза осадочного чехла описана мощная толща гляциогенных тиллитов, конгломератов и турбидитов поздне-Каменноугольного – ранне-Пермского возраста. За ней следует комплекс дельтовых песчано-глинистых разностей с углями артинско-кунгурского возраста (свиты Рио-Бонито и Палермо, 290.1-273 млн лет), и битуминозные сланцы с известняками и эвапоритами (свита Ирати). Этот разрез также завершается мощной толщей красноцветов Рио до Расто (Rio do Rasto) флювиального и лагунного происхождения.

Эвапоритовые комплексы пермского возраста северной Америки

            В пермское время большую часть юго-запада северной Америки покрывало обширное мелководное внутреннее море, которое простиралось на север от западного Техаса до северо-западного Канзаса. Относительно медленное, но непрерывное опускание всех частей этого широкого палеобассейна привело к отложению мощных толщ красноцветов и эвапоритов представленных чередованием доломитов, гипсов и ангидритов, калийных солей и галита. Эвапоритовые комплексы пород отличаются здесь значительными толщинами широким распространением и выдержанностью по латерали. Общая мощность отложений Пермского периода в некоторых частях доходит до 2000 м, а отдельные подразделения состоящие преимущественно из гипса, ангидритов, и солей меняются от 60 м. до 500 м. Наиболее древние эвапоритовые разности находятся на севере Пермского мега-бассейна, и в общем случае становятся все более молодыми в направлении на юг. Основные области накопления солей (выделяются в эвапориты группы Веллингтон) в ранне-Леонардское (280 млн лет, Р₁) время располагались на территории современного Канзаса и северо-запада Оклахомы. Они затем смещаются на юг, и к концу Леонардского и ранне-Гваделупского времени (273 млн лет, Р₂) находятся в западной Оклахоме и Техасских предгорьях. Здесь выделяются свиты со значительной долей эвапоритов: Нижний Клиар Форк/Симмарон (Ясная Развилка), верхний Клиар Форк/Симмарон и Сан-Андреас/Блейн. И – наконец, - в поздне-Гваделупское и Очоанское (Лопингианское) время (259.5-251.9 млн лет, Р₂-Р₃) переходят в западный Техас и юго-восточные области штата Нью-Мехико, где формируют свиты Артезия, Кастилия, Саладо и Растлер. Эвапориты представляют значительную экономическую ценность и разрабатываются открытым и/или шахтным способом. Галит добывается на 18 месторождениях, гипсы на 15 и калийные разности на пяти подземных шахтах возле города Карлсбад.

            Пермский мега-бассейн включает в себя несколько структур (бассейнов, сводов и платформенных участков) меньшего ранга. Основная часть депрессий была сформирована во время палеозойских деформации Уачита, и заполнялась терригенными, карбонатными и эвапоритовыми разностями в течение Пенсильванского (323.2-298.9 млн лет, С₃) и пермского времени (EIA, 2020 [16]). Мега-бассейн располагался на юго-западной окраине суперконтинента Пангея, и, согласно палеогеографическим построениям, раскрывался на юго-запад, откуда в него поступали морские воды. В каждом из входящих в него палео-бассейнов: Пало Дуро, Мидлан, Делавэр и Вал-Верде после отложения карбонатно-терригенных комплексов начиналось накопление эвапоритовых разностей (рис. 4). Из-за различия в обстановках осадконакопления в Пермском мега-бассейне есть возможность изучать целый спектр литофаций эвапоритов формировавшихся на различных глубинах, а также их последовательную смену. Многие соляные комплексы разрабатываются и/или используются как природные резервуары для захоронения отходов, поэтому пермские разрезы задокументированы очень хорошо.

Рисунок 4

            В большинстве шельфовых интервалов отмечается определенная ритмичность формирования смешанных комплексов. В основании расположены преимущественно морские карбонатные разности, которые постепенно переходят в более пересоленные условия, в которых отлагались ангидриты, гипс и наконец – галит. Такие циклы часто завершаются литофациями континентального типа с редким воздействием морских вод: глинисто-галитовым смесями и терригенными красноцветами (EIA, 2022 [19]). Отдельные циклы хорошо прослеживаются от типично морских к эвапоритовым условиям, поэтому полагают что области шельфа со смешанной седиментацией были, в определенной степени, доступны воздействию открытого моря, и следовательно, уровень воды в них контролировался локальной эвстатикой. Присутствия локальных баров и отмелей на преимущественно карбонатном шельфе оказывалось достаточно для удержания рассолов, из которых выпадали гипс и галит. По мере заполнения пространства аккомодации, находившиеся на севере пониженные участки характеризовались циклами, в которых часто отсутствуют нижние карбонатные разности, гипсы отмечаются в преимущественно тонких прослоях, а перекрывающие галиты – напротив увеличены в мощности и содержат меньше глинистых прослоев.

            Палеотопографический анализ материалов бассейна Делавер показал на наличие значительного рельефа между депоцентром и шельфом – от 300 до 550 м. (Kirkland 2003 [20). Шельфовые области со всех сторон были окружены рифогенными комплексами обьединенными в группу Капитан (Эль-Капитан). Отложенные в центральной части палеобассейна эвапориты свиты Кастил (Castile) Очоанского возраста (примерный эквивалент вятского яруса, 254.1-251.9 млн лет) не сопоставляются с осадками шельфового склона или сходными интервалами соседних погруженных участков, что вероятно говорит либо о полной изоляции этой территории и падении уровня локального бассейна ниже мирового океана. Либо – о формировании этих соленосных толщ на дне глубокого палеобассейна (Hovorka, 2007 [21]). В пользу первого предположения – глубокий палеобассейн с мелководными эвапоритами говорит вероятный современный аналог таких условий – Долина Смерти (пример современного бассейна-раздвига), предлагаемый в качестве примера многими исследователями. Однако по данным Геологической Службы максимальная глубина этого объекта составляет всего 85 м ниже уровня Мирового Океана.

            Детальный анализ морфологии эвапоритовых тел в бассейне Делавэр указывает на их формирование в условиях стратифицированного водоема. А их литологический состав уникален и не встречается в других палеодепрессиях Пермского мега-бассейна. Регионально развитые пласты-маркеры, мощностью до 1 м сложены богатым органикой кальцитом. Они интерпретируются как отложения коротких периодов максимального притока морской воды, когда эвапориты не выпадали или растворились. В пользу быстрого формирования солей в условиях мелководья также говорят кристаллические текстуры и ленточные прослои различных включений, интерпретируемые как годовые и/или сезонные циклы.

            Свита Веллингтон (Wellington) и пачка Хатчинсон (Hutchinson), Канзас (США). Пачка Солей Хатчинсон, мощностью 110 м, использовалась для различных промышленных целей более 50 лет. Галит добывали шахтным способом, а в искусственно созданных полостях хранили запасы природного газа и вещества, требовавшие пониженной влажности. Этот разрез достаточно хорошо изучался начиная с 1960-х гг., в том числе и с точки зрения седиментологии и состава морских вод позднепермского времени. Особое внимание различных специалистов Комиссии Атомной Энергетики было связано с вопросами возможного захоронения высокорадиоактивных отходов. Для оценки это проекта в Канзасе было пробурено несколько скважин со сплошным отбором кернового материала. Помимо солей в свите присутствуют пачки известняков: расположенных ниже - Холленберг и Карлтон, и перекрывающих – Милан. Возраст свиты относятся к раннепермскому (нижняя часть Леонардской эпохи) 290–280 млн лет, что соответствует артинскому и кунгурскому ярусу.

            В Соли Хатчинсон выделяется до пяти различных лито-фациальных типов пород: основную массу составляет слоистый галит, в подчиненных количествах отмечаются аргиллиты, смятый (перемещенный) галит, переслаивания гипсов и ангидритов и смятые (перемещенные) гипсы и ангидриты (Andeskie, 2020). В разрезе отсутствуют карбонаты и практически не выявлены растительные и/или животные остатки. Слоистый галит сложен чередованием от 0,3–1 см, темно- и светло-серых разностей, изредка с розовыми прослоями из-за красноцветных глинистых включений. В глинистых разностях отмечаются самые разнообразные текстуры: интракластовые включения, слоистость восходящей ряби, различная косая й и прерывистая волнистая слоистость, пластичные деформации, брекчии, текстуры отжатия вод и следы эрозии. В структуре слоистого галита присутствуют два типа кристаллов: более крупные (см) донного роста, «шевронового» строения, и более мелкие (мм) кубической формы и хаотично ориентированные. Основную долю составляют разности донного роста. Отличительной чертой вторичных преобразований являются трещины, заполненные красным из-за присутствия железа галитом, которые пересекают все литологические разности Хатчинсон.

            В этом разрезе выделяются три основные связанные между собой обстановки осадконакопления: мелководья или поверхностных рассолов, влажных илистых участков и сухих илистых участков. Интервалы мелководья характеризуются периодической сменой периодов затопления, испарения и формирования пересыщенных растворов, и усыхания с формированием систем трещин. Текстурные и седиментологические характеристики разреза указывают на его близость с современными обстановками соленых озер, соленых лагун и приливных равнин засушливых (аридных) областей. Условия формирования пачки Солей Хатчинсон относят к типично континентальным и связывают с обширной прибрежной равниной (Benison, 2015 [22]).

Палео-бассейны северной Европы. Свита Цехштейн (поздняя пермь).

            В позднепермское время климат Земли относился к парниковому. Область северной Европы площадью около 600 тыс. км² была покрыта водами внутриконтинентального моря Цехштейн. Этот бассейн был относительно мелководным с максимальной глубиной в центральной части до начала обособления и соленакопления не более 300 м. В структурном плане он делился на два вытянутых с запада на восток депоцентра, названнными Северным и Южным Пермским бассейнами. Разделявшая их последовательность положительных элементов Рингкёбинг-Фюн (Ringkøbing-Fyn) относится к средней части Северного Моря. Литологические и стратиграфические сопоставления эвапоритовых разрезов Северного и Южного Пермского бассейнов указывает на их тесную взаимосвязь, и высокую вероятность того, что цепочка сводов не препятствовала обмену рассолами. Основные структурно-тектонические элементы и палеогеографические зоны Южно-Пермского бассейна показаны на рис. 5.

Рисунок 5

            В позднепермское время северная Европа входила в состав суперконтинента Пангея и находилась приблизительно на отметке 25–30 северной широты (рис. 1). Периодически ограниченное поступление вод Северного Океана и располагавшегося на юго-востоке Тетиса привело к формированию толщи переслаивания сульфатных эвапоритов и галита, с подчиненными количествами горьких солей. До начала процессов просачивания морских вод, с которыми связывают отложения свиты Цехштейн, здесь в континентальных условиях засушливого климата накапливались разности эоловых пород, плайи и вади (русел временных потоков), объединяемых в свиты Ротлейгенд-Висслигенд (Rotliegende/Wiessliegend). В структурном плане эти области располагались в обширных, находящихся ниже уровня мирового океана, депрессиях которые были созданы на последних этапах Варисцийского орогенеза (Каменноугольный- ранне Пермский интервал). В периоды повышенного поступления воды, временами пересыхающие и соленые озера Ротлейгенда разливались, покрывая обширные территории (будущего) Южно-Пермского палеобассейна. После усыхания водоемы достигали насыщения CaSO₄, однако образования обширных пластов солей не происходило. В это время северная Европа характеризовалась развитием областей растяжения (пул-апарт) и рифтов, которые постепенно (к середине пермского времени) превращались в бассейны пассивных окраин.

            С этими эпизодами связаны главные этапы плавного опускания территории, которые в сочетании с аридным климатом создали условия благоприятные для формирования мощных толщ эвапоритов, в том числе солей Цехштейн (Р₃), Мушелькалк (Muschelkalk, Т₂), и Кейпер (Т₃). На это накладывались процессы метосоматоза и гидротермальной активности, характерные для всей северо-западной Европы, свидетельства о которой находят в многочисленных и разнообразных внутриформационных прожилках типа микро-интрузий.

            Формирование пород Цехштейна относят к промежутку в 5–7 последних миллионов лет пермского периода. Их изучение оказалось более полным в Южно-Пермском бассейне, где в Голландии и севере Германии, поисковым бурением были выявлены многочисленные залежи природного газа. Кроме того, здесь в континентальных областях в течение длительного времени шахтным способом осуществлялась добыча галита и калийных солей. Согласно разнообразным данным, поздне-Пермское заполнение палео-бассейна Цехштейна представляет собой классическое образование с концентрической зональностью и постепенным переходом от платформенных эвапоритов окраин к более глубоководным и слоистым разностям депоцентра.

            Местными специалистами разрез Цехштейна, на основании минералогии, делился на последовательности характеризующиеся постепенным переходом от условий меньшей солености к большей. Здесь выделяют четыре основных (Z1-Z4) и два «остаточных» или неразвитых цикла (Z5-6). Наиболее полный цикл начинается с трансгрессивных аргиллитов, которые сменяются карбонатами и завершаются мощной толщей эвапоритов, преимущественно галита и ангидрита (рис. 6). С точки зрения циклостратиграфии, лежащие в основании трансгрессивные разности являются отложениями максимального стояния уровня моря (mfs), и служат маркерами для регионального сопоставления. Нижние три подразделения (Z1-Z3) являются бассейновыми с морским питанием. В основании они содержат эвапоритовые карбонаты, которые формировались выпадением из вод нормальной морской солености. Перекрывающие их ангидриды и соли связаны с постепенной осушкой солончаков подпитываемых просачивающимися морскими водами и глубоких соленых озер.

Рисунок 6

            Классический циклостратиграфический анализ этого разреза оказался затруднителен из-за плохого качества (или отсутствия) протяженных отражающих горизонтов внутри Цехштейна. Детальная интерпретация основывается на сопоставлении материалов обнажений, керна и каротажных материалов . Переотложенные песчаники свиты Вейсслегенд и конгломераты собственно свиты Цехштейн относятся к этапу начальной трансгрессии, и отмечают границу цикла. Трансгрессивные комплексы (TST) сложены глубоководными карбонатными разностями свиты Муттерфлос (Mutterflоz), а перекрывающие их породы Купершифер являются толщей уплотнения. Большая часть мелководных карбонатов относится к комплексам высокого стояния уровня моря (HST) и отделена от тонкой кровельной части Известняка Цехштейн карстовой поверхностью эрозии. Карбонатные разности сложены онколитами и строматолитами (Gibson, 2020).

            Каждый из эвапоритовых циклов представлен сложными чередованиями литофациальных разностей, связанными либо с колебаниями уровня моря, либо с климатическими изменениями внутри палеоконтинента. Практически во всех палеогеографических работах до 2000–2005 года предполагалось постоянное соединение с открытым океаном. Однако после появления результатов исследований по Мессинскому Соляному Кризису, эта точка зрения претерпела значительные изменения. Максимальные эвстатические колебания уровня Мирового Океана оценивались в первые 100 м, а в рассматриваемых эвапоритовых палеобассейнах падение воды достигало 500–1000 м (Stemmerik, 2023). Эвапоритовые разности максимальной мощности накапливались в центральных частях изолированного от океана бассейна. Эти области с точки зрения циклостратиграфии традиционно рассматриваются как глубоководные, однако текстуры соляных пород соответствуют солончаковым обстановкам, с редкими более глубокими разностями. Взаимосвязи лито-фациальных комплексов пород в таких разрезах пока плохо изучены, но очевидно, что они не могут соответствовать классическим принципам морской стратиграфии (Balzer, 2020 [25]).

Даже в разделяющих эвапоритовые комплексы карбонатных разностях, интерпретируемых как морские, значительные колебания уровня воды локального бассейна создают трудности при попытке «соединить» с внешним источником. Сопоставление эвстатических моделей Пермских эвапоритов Западного Техаса, обнажений Гренландии и разрезов Цехштейна указывает на их существенные различия (Barnett, 2023 [26]). Детальный циклостратиграфический анализ отложений изолированных бассейнов исключительно сложен, поскольку физико-химические условия влияли на скорости седиментации и форму эвапоритовых тел. Колебания уровня и концентрации рассолов могли создавать или уничтожать пространство аккомодации и действовать совершенно независимо от глобальной эвстатики.

Проблема определения глубин соленакопления при формировании эвапоритовых толщ

Вопрос об условиях соленакопления возник очень давно. Долгое время основной считалась концепция Карла Оксениуса – к слову говоря, первооткрывателя минерала бишофит, - обнародованная к монографии «Образование залежей каменной соли …» [27]. Согласно ей соленосные толщи накапливались в условиях отшнурованных от моря лагун, тем не менее сохраняющих с ними связь через узкие проливы, через которые происходит поступление соленой воды, компенсирующей испарение. Соответственно, локальные удаленные бассейны рассматривались, как эту связь потерявшие. Этой концепции противоречила концепция И. Вальтера, который обосновывал чисто континентальный генезис солей [28].

Однако, появление сведений о том, что эвапориты в Приуральском бассейне в районе Ишимбайских рифов, а затем, что и в Прикаспийской впадине залегают на глубоководных отложениях, привело к новому взгляду на эти процессы и появлению фундаментальной статьи А. Л. Яншина 1961 года [29], в которой были подробно проанализированы и подвергнуты критике упомянутые выше и иные гипотезы соленакопления, в том числе такие экзотические, как «биохимическая». В статье были сформулированы основные принципы, которые представлялись более всеобъемлющими:

• Совершенно неправильно все соленосные осадки называть лагунными, потому что в бассейнах типа лагун образовалась, по-видимому, лишь небольшая часть ископаемых солей. Подавляющая их часть формировалась в крупных и в ряде случаев глубоководных морских бассейнах, которые не существуют в современную эпоху;
• Отложение мощных соляных толщ даже на платформах часто начиналось на глубинах во много сотен метров, а заканчивалось практически у поверхности;
• Скорость накопления солей огромная (до 10 см в год) и во много раз (1000–10000 раз) превышает· скорость отложения большинства других осадочных пород;
• Мощность соляных толщ никогда не соответствует величине конседиментационного прогибания, а всегда значительно превышает ее. Все морские солеродные бассейны представляют собой типичный пример некомпенсированных депрессий, а отложение в них солей соответствует времени очень быстрой компенсации этих прогибов;
• Главным фактором, влияющим на их образование, является сухость климата, а не высокая температура. При большой аридности климата соленосные отложения могут образоваться даже при низких температурах, т. е. в очень высоких широтах.

В качестве объяснения распространенности концепций мелководного соленакопления А. Л. Яншин указывал, что «мысль о том, что они могли быть достаточно глубокими, высказывалась давно и неоднократно». Здесь он в первую очередь ссылается на работу Н. П. Герасимова 1940 года [30]. «Однако, - продолжает автор, - эта мысль была опорочена неверными. подсчетами, основанными на предположении, что caдка солей происходила в полностью изолированном бассейне за счет испарения воды, первоначально имевшей нормальную морскую соленость. Исходя из этого предположения, известный немецкий химик и геолог Карл Густав Бишоф в 1864 Германии определил глубину цехштейнского соляного бассейна в 18600 м («Добыча каменной соли недалеко от Стассфурта»), а В. И. Николаев в 1937 г. – глубину кунгурского соляного бассейна Приуралья в 15000 м». Похожие расчеты делались и для Прикаспийского бассейна, правда с гипотезой о многократном его выпаривании, которые показывали, что этот процесс должен был повториться более двадцати раз, причем в очень короткий период времени.

Современные представления об условиях солеобразования в Прикаспийском мега-бассейне вполне отвечают концепции, описанной А. Л. Яншиным. Как отмечают М. П. Антипов и Ю.А. Волож с соавторами, «в солеродных провинциях, аналогичных изученной нами Каспийской, началу соленакопления предшествует формирование глубоководной (минус 1,5–2,0 км) котловины, а к концу на месте котловины развивается предгорное аккумулятивное плато (плюс 0,2–0,5 км)» [31]. Однако его тезис о том, что «мощности соляных толщ лишь в незначительной части отвечают конседиментационному пригибанию, а в основном отражают глубину бассейна, существовавшую к началу соленакопления», не подтверждаются фактическими мощностями солей (в среднем около 4 км в центральной части) в Прикаспийской впадине, поскольку, как показано выше, глубина бассейна была в два с лишним раза меньше, чем мощность накопившихся солей. Однако, и эта концепция потребовала расширения после того, как при изучении мессинских солей было установлено, что они не только подстилаются, но и перекрываются глубоководными осадками. Дело тут, вероятнее всего, в соотношении скоростей тех или иных геологических процессов – скорость соленакопления (по А. Л. Яншину) – 10 см в год, при этом скорость выпаривания воды может достигать 10 м в год, а изостатические движения – «всплытие» земной коры, как реакция на снятие водной нагрузки – не более 10 мм в год. То есть при частичной или полной изоляции водного бассейна происходит быстрое снижение уровня воды вызывающее отложение солей. Пополнение происходит за счет частичной связи с Мировым океаном или за счет поступления подземных вод, в случае Прикаспийской впадины высокоминерализованных. Масса накопившихся солей такова, что подъем земной коры либо не происходит совсем, либо носит крайне ограниченный характер.

Целью статьи не являлся подробный разбор условий соленакопления в каждом из рассмотренных бассейнах, а поиск тех, которые более всего соответствуют тому, что на данный момент известно о Прикаспийском мега-бассейне. И условия формирования эвапоритовой части разреза играют важную роль.

Следует отметить, что большинство из рассмотренных комплексов имеют мелководно-морскую или континентальную природу. Некоторые (бассейн Амазонас или Цехштейн) перекрывают континентальные эоловые отложения, все рассмотренные южноамериканские бассейны перекрываются красноцветными толщами флювиального и лагунного генезиса, равно, как и кунгурские соли Прикаспийского бассейна. Свита Веллингтон и пачка Хатчинсон имеют мелководное происхождение. В то же время в европейских бассейнах (Орн, Цехштейн) эвапоритовые толщи, перекрывая континентальные или мелководные осадки, в свою очередь, перекрываются отложениями, накопившимися в условиях крупного затопления. Наиболее близкими к прикаспийским выглядят особенности Пермского бассейна (Дэлавер) – вероятное полное обособление, равно как и возможное формирование солей на дне глубокого палеобассейна. Этот бассейн также был одним из близких аналогов, выбранных на основе общегеологического анализа [1]. Но при этом здесь никак нельзя говорить о таком масштабном развитии галокенеза (в понимании Ю.А. Воложа, это процесс, в отличие от соляной тектоники происходящий по причине реологических свойств самой соли и веса перекрывающих осадков, а не провоцируемых движениями земной коры); здесь более близким аналогом являются юрские соли свиты Луанн сопредельного бассейна Мексиканского Залива. Таким образом, очевидным является вывод о том, что подбор прямого аналога Прикаспийского мега-бассейна вряд ли реализуем в широком понимании; скорее речь идет о поиске аналогов его развития на различных этапах. Это не значит, что принцип аналогий здесь неприменим, это значит только то, что его применение должно быть более ограниченным, а аналоги подбираться более тщательно.

About the authors

Paul E. Syngaevsky

Chevron

Email: pavel.syngaevsky@chevron.com

докт. PhD, старший советник-петрофизик

United States, Houston, Texas

Sergey F. Khafizov

Gubkin University

Author for correspondence.
Email: khafizov@gubkin.ru
ORCID iD: 0000-0003-1426-7649

Doctor of Science, Head of E&A Department

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files