Титан-циркониевые россыпи в отложениях полтавской серии миоцена

На правах рукописи

СКЛЯРЕНКО ГРИГОРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ТИТАН-ЦИРКОНИЕВЫЕ РОССЫПИ В ОТЛОЖЕНИЯХ ПОЛТАВСКОЙ СЕРИИ МИОЦЕНА ЮГО-ВОСТОЧНОГО СКЛОНА ВОРОНЕЖСКОЙ АНТЕКЛИЗЫ

Специальность 25.00.11 – «Геология, поиски и разведка твердых

полезных ископаемых, минерагения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Ростов-на-Дону

2010

Работа выполнена в Южном Федеральном Университете (бывшем Ростовском государственном университете) на кафедре минералогии и петрографии геолого-географического факультета

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Бойко Николай Иванович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук

Парада Сергей Григорьевич

(Южный научный центр РАН)

кандидат геолого-минералогических наук

Грановский Александр Григорьевич

(Южный федеральный университет)

Ведущая организация: Южно-Российский Государственный Технический Университет (НПИ) г. Новочеркасск

Защита состоится 13 мая 2010г. в 1200 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.208.15 при Южном Федеральном Университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географический факультет, ауд. 201.

Факс: (863)222-57-01. E-mail: HYPERLINK «mailto:[email protected]» [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного Федерального университета по адресу: 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » апреля 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного

совета кандидат геолого-

минералогических наук, доцент В.Г. Рылов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одним из наиболее перспективных объектов на титан и цирконий в Европейской части нашей страны является Южно-Российская провинция древних прибрежно-морских титан-циркониевых россыпей. Основные выявленные здесь россыпи связаны с сарматскими и киммерийскими отложениями Предкавказья. Несмотря на то, что Предкавказский россыпной бассейн является лишь частью, хотя и наиболее изученной, единой крупной Южно-Российской россыпной провинции, на других ее участках геолого-разведочные работы практически не проводятся. Это представляется тем более странным, так как по северной периферии Южно-Российского россыпевмещающего миоценового породно-осадочного бассейна, на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы, еще в конце пятидесятых – начале шестидесятых годов прошлого столетия были выявлены и предварительно изучены титан-циркониевые россыпи, приуроченные к терригенным породам полтавской серии.

Особенности географического расположения, доступность, а также возможности комплексного использования, делают полтавские россыпи юго-восточного склона Воронежской антеклизы весьма перспективным промышленным объектом. Определение направлений дальнейших геолого-разведочных работ на титан-циркониевые россыпи Воронежской антеклизы сдерживается отсутствием полных и достоверных данных о вещественном составе вмещающих полтавских отложений, литолого-фациальных особенностях и условиях их образования, определяющих во многом генезис самих россыпей (источник, способ мобилизации, переноса и консервации рудных минералов).

Цель и задачи исследования. Целью работы является выявление закономерностей распространения и условий образования титан-циркониевых россыпей полтавской серии миоцена юго-восточного склона Воронежской антеклизы. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Изучить геологическое строение отложений полтавской серии юго-восточного склона Воронежской антеклизы.

2. Выявить особенности гранулометрического и минерального состава отложений полтавской серии.

3. Осуществить литолого-фациальные построения для россыпевмещающих отложений.

4. Выполнить палеогеографические реконструкции времени накопления образований полтавской серии.

5. Выявить закономерности распространения титан-циркониевых россыпей и условия их образования.

Фактический материал. Фактическим материалом для диссертационной работы стали исследования автора, выполненные на территории юго-восточного склона Воронежской антеклизы в 2006-2009 гг. Были описаны разрезы палеоген-неогеновых отложений. Отобраны 118 проб для лабораторного изучения. Выполнено 253 гранулометрических, 452 минералогических и 34 вакуумно-декриптометрических анализа.

В процессе работы были использованы рукописные и фондовые материалы по проведенным в пределах юго-восточного склона Воронежской антеклизы и прилегающих регионов геолого-съемочным и поисково-разведочным работам на титан-циркониевые россыпи и другие полезные ископаемые (В.К. Беляев, В.А. Блинов, А.Д. Додатко, А.Н. Ерохин, В.А. Ефанова, К.Х. Зеленщикова, Е.П. Новак, С.Я. Орехов, А.С. Прокопченко, С.И. Сьян, В.Т. Тарасенко, Н.П. Хожаинов, И.А. Шамрай и др.). Привлекались также многочисленные литературные источники (Н.И. Бойко, А.М. Болотов, В.А. Гроссгейм, С.И. Гурвич, И.И. Малышев, Г.С. Момджи, Н.Г. Патык-Кара, А.Д. Савко, В.Н. Труфанов, С.Н. Цымбал, Н.А. Шило и др.)

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Установлено, что отложения полтавской серии юго-восточного склона Воронежской антеклизы, вмещающие титан-циркониевые россыпи, являются преимущественно псаммитовыми. Основные россыпеобразующие минералы представлены циркон-рутил-ильменитовой ассоциацией. Состав легкой фракции преимущественно кварцевый.

2. Выделены в составе полтавской серии следующие литолого-фациальные комплексы: прибрежно-морских отложений и отложений мелководного шельфа. Титан-циркониевые россыпи приурочены к прибрежно-морскому литолого-фациальному комплексу, в составе которого выделяются пелитово-песчаный и песчаный субкомплексы.

3. Доказано, что формирование титан-циркониевых россыпей происходило в прибрежной зоне мелководного морского бассейна при перемыве осадков в тектонически- и гидродинамически активных условиях на склонах локальных поднятий дна. Источниками поступления в полтавский бассейн седиментации рудных минералов являлись как коренные породы Воронежского кристаллического массива и коры выветривания по ним, так и осадочные образования центра Русской платформы, служившие промежуточными коллекторами.

Научная новизна работы.

1. Детально изучен вещественный состав отложений полтавской серии юго-восточного склона Воронежской антеклизы. Применены вакуумно-декриптометрические методы исследования.

2. Выполнены литолого-фациальные построения для россыпевмещающих отложений полтавской серии.

3. Реконструированы палеогеографические условия формирования россыпевмещающих отложений полтавской серии миоцена юго-восточного склона Воронежской антеклизы.

4. Выявлены закономерности распространения и условия образования титан-циркониевых россыпей полтавской серии миоцена.

Апробация работы. Основные положения изложены в шести опубликованных работах. Результаты проведенных исследований докладывались на научных конференциях международного уровня: «Осадочные породы, полезные ископаемые и почвы, процессы гипергенеза» (Ростов-на-Дону, 2007), «XII Международном научном симпозиуме им. академика В.А. Усова студентов и молодых ученых» (Томск, 2008 ), «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии, и рационального природопользования» (Новочеркасск, 2009); а также на 5-м Всероссийском литологическом совещании «Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли» (Екатеринбург, 2008).

Научные результаты работы отражены в статьях, опубликованных в изданиях рекомендованных ВАКом по профилю специальности – «Руды и металлы», «Известия ВУЗов. Северо-кавказский регион. Естественные науки».

Теоретическая и практическая значимость работы. На основании изучения титан-циркониевых россыпей юго-восточного склона Воронежской антеклизы определены литолого-фациальные, геоморфологические и тектонические критерии прогноза, которые могут быть использованы при поисках данного типа месторождений. Рекомендованы площади для проведения дальнейших геолого-разведочных работ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные положения диссертационной работы, представляемые на защиту, соответствуют пункту 1 области исследования паспорта специальности 25.00.11 – Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, включающего 218 наименований. Она содержит 157 печатных страниц, графические приложения представлены 27 рисунками и 2 таблицами.

В первой главе изложен обзор, анализ и оценка работ, проведенных раннее на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы, направленных на изучение титан-циркониевых россыпей.

Во второй главе рассмотрено геологическое строение юго-восточного склона Воронежской антеклизы.

В третьей главе приведены результаты изучения особенностей геологического строения и вещественного состава россыпевмещающих отложений полтавской серии.

В четвертой главе осуществлены литолого-фациальные построения и реконструированы палеогеографические условия времени формирования россыпевмещающих отложений полтавской серии.

В пятой главе дана сравнительная характеристика титан-циркониевых россыпей различного возраста на юге Русской платформы. Рассмотрены источники поступления рудных минералов в россыпи полтавской серии и особенности россыпеобразования.

Благодарности. Исследования по теме диссертации проводились во время обучения в аспирантуре при кафедре минералогии и петрографии Южного федерального университета. При выполнении научных исследований и написании работы автор обращался к советам и консультациям докторов геолого-минералогических наук, профессоров М.И. Гамова, Ю.Г. Майского, В.Н. Труфанова, А.Э. Хардикова, доцентов В.Г. Рылова, Б.В. Талпы и других сотрудников геолого-географического факультета ЮФУ, за что очень им благодарен.

Особую благодарность за ценные консультации, постоянную поддержку и доброжелательное отношение автор выражает своему научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору Николаю Ивановичу Бойко.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕНА ЗАЩИТУ

Первое защищаемое положение. Отложения полтавской серии юго-восточного склона Воронежской антеклизы, вмещающие титан-циркониевые россыпи, являются преимущественно псаммитовыми. Основные россыпеобразующие минералы представлены циркон-рутил-ильменитовой ассоциацией. Состав легкой фракции преимущественно кварцевый.

1.1 Особенности геологического строения полтавской серии

В пределах юго-восточного склона Воронежской антеклизы отложения полтавской серии прослеживаются на водораздельных пространствах. Полтавские отложения являются терригенными. Наиболее распространены псаммитовые разности, в меньшей степени алевритовые и пелитовые. По литологическим признакам толща полтавских отложений разделяется на две части. Нижняя – сложена светло-серыми, белыми и желтыми рыхлыми мелкозернистыми песками с незначительной алевритовой примесью. Ее мощность составляет 15-25 м. Верхняя часть – представлена разнозернистыми песками красно-бурого, малинового, желтого и белого цвета. Их мощность составляет 3-6 м. На наиболее возвышенных участках полтавские пески перекрываются глинами миоцена и четвертичными суглинками.

1.2 Текстуры россыпевмещающих отложений

Установлено, что изучаемые отложения в большинстве случаев обладают слоистыми текстурами, когда же слоистые текстуры выражены неясно – наблюдаются однородные. В связи с весьма хорошей сортировкой песчаного материала и равномерным его распределением, проявление слоистых текстур в полтавских отложениях, как правило, не связано с рассортировкой зерен по классам крупности. Слоистость проявляется за счет скоплений тяжелых темноокрашенных минералов (ильменита, рутила и др.) в отдельных слойках. Наибольшим распространением в полтавских отложениях пользуются полого-волнистая, волнистая и сложные типы слоистости, такие как косо-волнистая.

1.3 Гранулометрический состав отложений полтавской серии

Гранулометрический анализ показывает, что изучаемые россыпевмещающие пески являются мелкозернистыми, хорошо отсортированными. Усредненный гранулометрический состав рудоносных песков характеризуется следующими классами (мм): 2-1 – 0.5%, 1-0.5 – 0.9%, 0.5-0.25 – 7.1%, 0.25-0.16 – 16.7%, 0.16-0.1 – 70.0%, 0.1-0.063 – 4.4%, <0.063 – 0.4%. Изучение распределения песчаного материала по классам крупности с применением метода квартилей (Рухин, 1953) и построением генетической диаграммы позволило выделить типы песков различного генезиса (рис. 1).

Рис. 1 Генетическая диаграмма россыпевмещающих песков

I. Поле прибрежных песков, отложенных при сильных колебательных движениях воды. Сюда относятся пески пляжа и мелководные пески, отложенные в подобных условиях.

II. Поле донных песков (озерных или морских), отложение которых происходило при слабых колебательных движениях воды. Эта группа тесно связана с предыдущей.

III. Поле песков, отложенных при поступательном движении воды в реках или областях развития течений.

VI. Поле эоловых песков.

Изучение гранулометрического состава песков при помощи генетической диаграммы позволило установить динамические условия их седиментации. Была выявлена зависимость содержания тяжелой фракции для различных гранулометрических классов. Так, максимальные содержания тяжелых минералов сконцентрированы в мелкопсаммитовой фракции 0.10-0.12 мм (рис. 2). Такие разности находятся на границе полей II и III на генетической диаграмме, они отлагались при совокупном воздействии колебательных и поступательных движений среды седиментации.

EMBED Excel.Chart.8 \s

Рис. 2 Зависимость содержания тяжелой фракции от среднего размера зерен

1.4 Минеральный состав песков

Лёгкая фракция россыпей состоит на 96-97% (до 99%) из кварца и 0.5-1% полевых шпатов.

Кварц. Выделяются три разновидности кварца различного цвета: молочно-белого, серого и прозрачного. Зёрна кварца, как правило, изометричные, неправильной формы, преимущественно хорошо окатанные. Преобладают зёрна 0.1-0.25 мм.

Полевой шпат. Полевые шпаты также характеризуются хорошей окатанностью, реже встречаются в виде табличек. Цвет молочно-белый, реже наблюдаются бесцветные зёрна. Размер зёрен 0.1-0.16 мм.

Тяжёлая фракция россыпей состоит из немагнитной и электромагнитной фракции. Общее количество минералов, наблюдавшихся в составе тяжёлой фракции не превышает 12. В немагнитной фракции установлены циркон, рутил, лейкоксен, дистен, эпидот, силлиманит.

Циркон. Циркон по форме и степени окатанности можно разделить на три разновидности: удлиненно-призматические, призматические и хорошо окатанные зёрна. Окраска бесцветная, желтоватая, светло-розовая, кремовая. У слабоокатанных зёрен блеск сильный, алмазный, хорошо окатанные зёрна обладают алмазным и жирным стеклянным блеском. Размер зёрен до 0.16 мм. В тяжёлой фракции шлихов циркон не превышает 15%, составляя в среднем 2-4%.

Рутил. Рутил в россыпях встречается в виде призматических и угловато-окатанных зерен. Призматические зёрна имеют хорошо выраженные грани и сглажены на концах. Размер кристаллов по длинной оси до 0.25 мм. Угловато-окатанные зёрна неправильной формы. Размер зёрен – 0.1-0.16 мм. Цвет рутила оранжевый, красный. Блеск сильный жирный. Содержание колеблется от 8 до 27%.

Лейкоксен. Лейкосен развивается по ильмениту. Присутствуют в россыпях в виде окатанных плоских зёрен. Цвет: светло-жёлтый, бежевый, реже серый. Зёрна непрозрачные с блеском более тусклым, чем у рутила. Размер зёрен >0.1 мм. Содержание в шлихах до 10%.

Дистен. Дистен представлен пластинчатыми кристаллами с окатанными и округлёнными углами и трещинками спайности. Цвет белый и прозрачный. Размер зёрен 0.16-0.25 мм, с преобладанием зёрен 0.16 мм. Содержание в шлихах составляет 17-35%.

Эпидот. Эпидот встречается в небольших количествах. Зёрна обычно полуокатаны и имеют неправильную форму, неровный излом цвет фисташково-зелёный, блеск стеклянный.

Силлиманит. Силлиманит присутствует в россыпях в меньших количествах, чем дистен. Форма кристаллов удлинённо-призматическая, со слабым окатыванием, а также неправильной формы. Цвет силлиманита от прозрачного до белого. Блеск стеклянный. Содержание силлиманита в шлихах 8-27%.

Отмечается также наличие в тяжелой немагнитной фракции единичных зерен анатаза и корунда.

Электромагнитная фракция состоит из ильменита, ставролита, турмалина, сфена. Встречаются гранат и хромит.

Ильменит. Ильменит встречается в виде угловато-окатанных и хорошо окатанных разностей. Угловато-окатанные зёрна имеют неправильную форму и ямчатую поверхность. Размер зёрен менее 0.1-0.16 мм. Хорошо окатанные зёрна имеют продолговатую и шарообразную форму, реже уплощенную. Размер 0.063 – 0.16 мм. Зерна имеют железно-чёрный, реже коричневый цвет, сильно лейкоксенизированы. Содержание ильменита в шлихах колеблется от 7 до 50%.

Ставролит. Ставролит представлен в виде зёрен неправильной формы и угловато-окатанных осколков. Цвет буровато-красный. Блеск стеклянный. Размер зёрен 0.1-0.16 м. Содержание – 5-20%.

Турмалин. Турмалин встречается в двух разновидностях: призматических кристаллов и угловато-окатанных зерен. Призматические кристаллы и их обломки зеленовато-серого цвета с чёрными включениями внутри кристаллов и слегка сглаженными гранями. Размер зёрен 0.1-0.16. Угловато-окатанные зёрна неправильной формы тёмно-зелёного цвета. Размер зёрен 0.063-0.1 мм. Содержание в шлихах – 2-10%.

Сфен. Сфен – зёрна плоской конвертообразной и удлинённой формы, медово-жёлтого цвета с жирным и алмазным блеском. Размер зёрен 0.063-0.1 мм. Содержание до 5 %.

Соотношений минеральных ассоциаций тяжелой и легкой фракций указывает на особенности транспортировки терригенного материала и условия его отложения в бассейне седиментации (рис. 3).

EMBED Excel.Chart.8 \s

Рис. 3 Гидроаэродинамическая зрелость песков. Зависимость количества рудных минералов (ось ординат) от содержания тяжелой фракции в песках (ось абсцисс)

Установлено, что в россыпях преобладают химически и гидродинамически устойчивые терригенные минералы (Бегргер, 1986). Россыпевмещающие отложения имеют высокую степень химической и гидроаэродинамической зрелости. Содержания рудных минералов прямопропорциональны содержаниям тяжелой фракции в песках.

1.5 Вакуумно-декриптометрическое изучение кварцевых песков

Определены вакуумно-декриптометрические особенности различных типоморфных модификаций кварцев, слагающих полтавские россыпевмещающие отложения. Установлено, что прозрачный и серый кварцы не дают значимых эффектов газовыделения в указанном диапазоне температур. Вакуумно-декриптометрическая активность такого рода характерна для метаморфогенных кварцев (Труфанов, 1986, 1990). Анализ молочно-белой разновидности кварца (рис. 4) показывал наличие эффектов различной степени активности во всем диапазоне температур (0-600о). Наибольшая интенсивность газовыделения наблюдается для интервалов температур 520-580о и 420-480о. В меньшей степени проявляется активность для интервалов 240-320о и 360-400о. Незначительные эффекты наблюдаются для температур 40-120о и 120-160о.

Рис. 4 График вакуумно-декриптационной активности молочно-белого кварца отложений нижней части полтавской серии.

Такая вакуумно-декриптационная активность указывает на магматический генезис молочно-белого кварца с последующей его флюидизацией гидротермально-пневматолитовыми и, в меньшей степени, гидротермальными растворами. Определение генезиса кварцев, слагающих полтавские пески подтверждает, что первоначальными источниками сноса для них являлись коренные метаморфические и магматические породы, предположительно Воронежского и Прибалтийского кристаллических массивов, а также коры выветривания по ним.

Рис. 5 График вакуумно-декриптационной активности кварца N1sm В. Донбасс, ст. Большекрепинская.

Для сравнения было произведено вакуумно-декриптометрическое изучение кварцев из песков сарматского возраста Восточного Донбасса (рис. 5). Для них типичны эффекты газовыделения в следующих диапазонах температур: менее 100о, 100-120о, 240-360о и 420-460о. Такие кривые газовыделения являются характерными для кварцев гидротермального генезиса, распространенных на Донецком кряже. Таким образом, подтверждается поступление в полтавский бассейн седиментации осадочного материала с Русской платформы в результате его миграции с севера на юг.

Изучение строения и вещественного состава полтавских россыпевмещающих отложений позволяет отнести их к типу прибрежно-морских осадков крупного водоёма. Текстурные признаки указывающие на условия отложения подтверждаются данными интерпретации гранулометрического анализа, подтверждающего седиментацию в прибрежно-морской обстановке с различной степенью активности водной среды. В минеральном составе россыпей преобладают минералы устойчивые к химическому выветриванию – кварц, циркон, рутил, ильменит, что указывает на длительный процесс переноса минералов и химического выветривания в условиях гумидного климата, формировавшихся прибрежно-морских россыпей, вследствие чего исчезли почти все неустойчивые минералы.

Второе защищаемое положение. В составе полтавской серии выделены следующие литолого-фациальные комплексы: прибрежно-морских отложений и отложений мелководного шельфа. Титан-циркониевые россыпи приурочены к прибрежно-морскому литолого-фациальному комплексу, в составе которого выделяются пелитово-песчаный и песчаный субкомплексы.

Выделение литолого-фациальных комплексов полтавских россыпевмещающих отложений и восстановление палеогеографических условий их формирования требовалось для определения особенностей генезиса титан-циркониевых россыпей. Кроме полевых наблюдений и лабораторных исследований использовались материалы исследований В.К. Беляева (1965), В.А. Блинова (1963), А.С. Прокопченко, С.И. Сьяна (1963), И.А. Шамрая (1959, 1960) на юго-восточном склоне и В.К. Бартенева, В.И. Беляева (2000), А.Д. Савко (1991, 1994) в смежных районах Воронежской антеклизы.

2.1 Типизация геологических разрезов юго-восточного склона Воронежской антеклизы

Задачами типизации разрезов являлись корреляция разновозрастных образований, определение закономерностей строения полтавских отложений и их фациальной изменчивости, с целью выделения литолого-фациальных особенностей строения отложений полтавской серии (рис. 6). Установлены некоторые закономерности строения разрезов.

1. В зависимости от особенностей состава и строения полтавских отложений выделены следующие типы разрезов: преимущественно песчаный, песчано-глинистый, алеврито-песчаный.

2. В большинстве разрезов прослеживаются полтавские и подстилающие их обуховские отложения. Следовательно, они имеют широкое площадное распространение в пределах южного склона Воронежской антеклизы при минимальной фациальной изменчивости.

3. Изученные породы имеют преимущественно псаммитовый состав с примесями алевритового и глинистого материала. Наблюдается постепенный переход от преимущественно песчаных отложений в верховьях р. Ольховой (Вяжинский, Ольховский, Центральный и Лысогорский разрезы) к алеврито-песчаным (в разрезах Лысом и Голый Лог) и песчано-алевритовым (разрез Горбатовский). Разрез Фоминский (район г. Миллерово) резко отличается как большим количеством глинистого материала (до преобладания его над песчаным), так и низкой степенью сортировки псаммитов.

Рис. 6 Схема сопоставления разрезов палеоген-неогеновых отложений юго-восточного склона Воронежской антеклизы

Разрезы: I – Вяжинский; II – Ольховый; III – Центральный; IV – Лысогорский; V – Артамошкинский; VI – Голый Лог; VII –Лысый; VIII – Горбатовский; IX – Фоминский.

1 – песок разнозернистый; 2 – песок мелкозернистый; 3 – песчаник; 4 – глина; 5 – примесь глауконита; 6 – следы ожелезнения; 7 – титан-циркониевая россыпь; 8 – поверхность размыва.

4. Строение разрезов указывает на регрессивный характер залегания описываемой песчаной толщи. Фациальный состав отложений меняется от более к менее глубоководным и даже континентальным.

Основываясь на вышележащих фактах, и выявив закономерности фациальной изменчивости толщи в плане, а именно, выделив литолого-фациальные комплексы отложений, можно с высокой степенью детальности и достоверности определить обстановку осадконакопления.

2.2 Литолого-фациальные комплексы отложений полтавской серии

В составе отложений полтавской серии миоцена на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы были выделены литолого-фациальные комплексы прибрежно-морских отложений и отложений мелководного шельфа.

Литолого-фациальный комплекс прибрежно-морских отложений представлен преимущественно песчаными породами. Они получили наибольшее развитие на исследуемой территории, широко распространены в пределах Хоперской и Первомайско-Чирской моноклиналей, а также Терсинской впадины и Доно-Медведицкого вала и представлены песчаным и глинисто-песчаным субкоплексами.

Литолого-фациальный комплекс отложений мелководного шельфа приурочен к Приволжской моноклинали. Здесь, в восточном направлении, в полтавских псаммитовых отложениях увеличивается содержание алевритовой примеси, а затем они замещаются глинами майкопской серии.

2.3 Условия образования россыпевмещающих отложений полтавской серии

В позднеолигоценовое-раннемиоценовое время на южном окаймлении Русской платформы существовал обширный морской (Полтавский) бассейн. В пределах Воронежской антеклизы полтавское море представляло собой мелководный (не более 50-100 м) бассейн с пологим дном, углублявшимся в юго-восточном направлении. К юго-восточному склону антеклизы были приурочены обширная зона прибрежного мелководья, а также зона низменной суши, периодически затапливавшейся морем. Для этого района характерно распространение пород, относящихся к литолого-фациальному комплексу прибрежно-морских отложений преимущественно песчаного и пелитово-песчаного состава. Распространение разнозернистых глинистых песков и песчаных глин (Фоминский разрез) связано с повышением уровня морского дна, в пределах положительных структур осадочного чехла Воронежской антеклизы, а именно Первомайско-Чирской моноклинали и Миллеровского поднятия. Здесь в большей степени проявлялись положительные движения. Море часто отступало, обнажая низменную сушу. В районе Приволжской моноклинали бассейн имел глубины 100-200 м, отвечающие обстановке мелководного шельфа, и сильно углублялся на территории Прикаспийской синеклизы. Явный фациальный переход от прибрежно-морских отложений к более глубоководным шельфовым приурочен к Хоперской тектонической ступени. Здесь (разрез Горбатовский) расположена восточная граница распространения песчаных пород полтавского возраста. Восточнее происходило отложение более глубоководных глинистых пород цаганхагской свиты майкопской серии миоцена. Особенности их седиментации (более глубоководный генезис, большая мощность) связаны с воздействием отрицательных тектонических движений Прикаспийской синеклизы, распространявшихся и на Приволжскую моноклиналь. К локальным приподнятым участкам выположенного дна мелководного бассейна связанным с положительными структурами осадочного чехла (Миллеровское поднятие, Доно-Медведицкий вал и др.) были приурочены обстановки наиболее сильного перемыва осадков.

Характер рельефа прилегавшей к морскому бассейну суши связан с тектоническим режимом и является существенным фактором осадкообразования. Регрессивное залегание полтавских и подстилающих их обуховских отложений говорит о преимущественно положительных тектонических движениях в олигоцене и миоцене. Часто чередующиеся однородные и слоистые текстуры полтавских отложений указывают на дифференцированные подвижки на фоне общего воздымания в регионе.

Транспортировка осадочного материала от областей сноса к области седиментации имела длительный характер. Большая часть его была несколько раз переотложена в промежуточных коллекторах разного возраста. Основная часть материала поступала с прилегающей континентальной суши. Логично предположить, что главной питающей провинцией изучаемого региона являлась прилегающая к нему возвышенная часть Воронежской антеклизы. Питающими источниками служили в большей степени осадочные образования мелового и палеогенового возраста, в меньшей – кристаллические породы Воронежского массива и коры выветривания по ним. Выполненные палеогеографические реконструкции указывают также на перемещение значительной части осадочного материала вдольбереговыми течениями с северо-запада Русской платформы – Балтийского щита.

Третье защищаемое положение. Формирование титан-циркониевых россыпей происходило в прибрежной зоне мелководного морского бассейна при перемыве осадков в тектонически — и гидродинамически активных условиях на склонах локальных поднятий дна. Источниками поступления в полтавский бассейн седиментации рудных минералов являлись как коренные породы Воронежского кристаллического массива и коры выветривания по ним, так и осадочные образования центра Русской платформы, служившие промежуточными коллекторами.

Процесс концентрации титан- и цирконийсодержащих минералов неразрывно взаимосвязан с образованием россыпевмещающих отложений. Полтавские отложения получили обширное распространение в пределах Воронежской антеклизы, Днепрово-Донецкой впадины, на севере Украинского щита и на периферии Приазовского массива. Несмотря на различия некоторых факторов осадконакопления, данные отложения относятся к одному бассейну седиментации и имеют повышенную концентрацию рудных минералов, которые часто образуют промышленные скопления. Всеобъемлющее рассмотрение процесса россыпеобразования невозможно без привязки его к источникам питания. Поступление рудных минералов может происходить как из коренных источников (кристаллических магматических и метаморфических пород), так и из промежуточных коллекторов (погребенных разновозрастных осадочных образований), которые часто являются самостоятельными россыпными объектами. Сравнение и выделение взаимосвязи распространения титан-циркониевых месторождений и проявлений на всей площади полтавского бассейна, а также анализ более древних россыпей различных возрастных групп, позволяют определить закономерности россыпеобразования и дать прогнозную оценку распределения россыпей на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы. Для этого были использованы материалы В.И. Беляева (2000), А.Д. Савко (1979, 1994), Н.П. Хожаинова (1976, 1989) по россыпям Воронежской антеклизы и А.Е. Добренького, И.С. Романова (1978), С.Н. Цымбала (1967, 1975) по россыпям Украины.

3.1 Распространение титан-циркониевых россыпей на юге Русской платформы

Анализ размещения россыпей титан — и цирконийсодержащих минералов на южных границах Русской платформы позволил выявить следующие закономерности их распространения.

1. Прослеживается тенденция к образованию крупных россыпных полос в зонах сочленения склонов древних кристаллических массивов (Украинский, Воронежский, Приазовский) с бассейнами развития терригенных пород (Днепрово-Донецкая впадина, Московская и Прикаспийская синеклизы). В меньшей степени – в центральных зонах этих массивов.

2. Выделяются следующие эпохи россыпеобразования: позднедевонская, среднеюрская, раннемеловая, позднемеловая, раннепалеогеновая, олигоцен-миоценовая, четвертичная. Наиболее промышленно значимые россыпи сосредоточены в олигоцен-миоценовых (месторождение Малышевское и другие россыпи Украины) и, в меньшем объеме, в верхнемеловых (месторождение Центральное) отложениях.

3. Россыпевмещающие отложения имеют преимущественно прибрежно-морской генезис. Титан- и цирконийсодержащие минералы концентрируются в кварцевых псаммитово-алевритовых породах. В центральных частях кристаллических массивов встречаются аллювиальные россыпи, приуроченные к разнозернистым кварцевым пескам русловой фации.

4. По вещественному составу выделяется два типа россыпей: ильменитовые и комплексные ильменит-рутил-цирконовые. Для ильменитовых россыпей прослеживается явная генетическая связь с кристаллическими породами основного состава и корами выветривания по ним (Цымбал, 1975). Питающими источниками комплексных россыпей являются осадочные и кристаллические породы различного возраста и состава (Россыпные месторождения…, 1997).

5. Древние захороненные россыпи разного возраста часто являлись питающими источниками (промежуточными коллекторами) для более молодых. Наблюдается увеличение степени химической и гидроаэродинамической зрелости россыпевмещающих пород от более древних к более молодым.

Эти закономерности в совокупности с данными о пространственном расположении, геологическом строении, условиях образования россыпевмещающих отложений и их вещественном составе позволяют установить питающие провинции и воссоздать условия формирования полтавских титан-циркониевых россыпей юго-восточного склона Воронежской антеклизы.

3.2 Питающие провинции россыпей полтавской серии

Установление закономерностей распространения основных россыпеобразующих минералов в разновозрастных отложениях на сопредельных территориях, вместе с выполненными палеогеографическими реконструкциями, позволяет определить питающие провинции россыпей юго-восточного склона Воронежской антеклизы.

Вещественный состав россыпевмещающих пород является важнейшим фактором, характеризующим источники, поставлявшие осадочный материал. Полтавские россыпи юго-восточного склона Воронежской антеклизы обладают достаточно ограниченной и весьма устойчивой минеральной ассоциацией. Они характеризуются высокой степенью химической и гидроаэродинамической зрелости, что указывает на длительный процесс переноса и многократность переотложения терригенного материала. Содержание наиболее важных рудных минералов (ильменита, рутила, циркона) в составе тяжелой фракции составляет от 27 до 71%, в среднем – 41%. В значительном количестве представлены минералы группы дистена-силлиманита, ставролит и турмалин.

Кроме основных минералов тяжелой фракции, важнейшее значение для определения специфики питающих источников россыпей имеет основной породообразующий минерал полтавских россыпевмещающих отложений – кварц. Он обладает весьма высокой миграционной способностью, и определение путей его миграции позволяет судить об источниках и путях транспортировки всех минералов россыпей.

Кварц. Проведенные вакуумно-декриптометрические анализы кварцев разного типа показали, что прозрачные и серые разновидности имеют метаморфогенное происхождение, а молочно белые кварцы – являются первично-магматогенными, с последующим пневматолитовым и гидротермальным преобразованием. Таким образом, все минеральные разновидности кварца связаны с кристаллическими метаморфогенными и магматогенными породами фундамента Русской платформы. Можно предположить два основных источника поступления кварца в полтавский бассейн. Первый – размытые коры выветривания по метаморфическим и магматическим породам Воронежской антеклизы. По данным А.Д. Савко (1979, 1991), в истории данного региона выделяется три эпохи образования существенно кварцевых кор выветривания – позднедевонская, раннемеловая и позднепалеогеновая-ранненеогеновая. Не исключено, что более молодые коры выветривания образовывались путем переотложения более древних существенно-кварцевых образований. Вторым источником кварца стали кристаллические породы фундамента северной части Восточно-Европейской платформы. На фоне общей миграции обломочного материала Русской платформы с севера на юг В.А. Гроссгейм (1966) и Н.Г. Патык-Кара (2001, 2004) отмечали миграцию больших масс кварцевого материала с Балтийского щита в меловые отложения Московской синеклизы и дальше на юг в палеогене-неогене.

Ильменит. В полтавских россыпях (пески нижнего горизонта полтавской серии) представлен угловатыми и хорошо окатанными зернами. Подобные типы ильменита характерны для различных пород Восточно-Европейской платформы. Так, С.И. Гурвич и А.М. Болотов (1968) указывают на присутствие угловатых и уплощенных окатанных разностей в апт-альбских отложениях Московской синеклизы. Окатанные зерна разной степени гипергенного преобразования характерны для девонских россыпей Воронежской антеклизы (ястребовский горизонт), а также для сеноманских россыпей центральных частей платформы и Хоперско-Медведицкого междуречья (Блинов, 1964). Следовательно ильменит в полтавский бассейн поступал с севера – из промежуточных коллекторов чехла Русской платформы.

Рутил. Рутилы, характерные для титан-циркониевых россыпей юго-востока воронежской антеклизы, встречается также в полтавских россыпях северо-востока Днепрово-Донецкой впадины. Они преобладают и в сеноманских россыпях Тамбовской области (Патык-Кара, 2004). Крупные призматические зерна встречены в девонских россыпях Воронежской антеклизы.

Циркон. Явные различия разновидностей цирконов указывают на несколько источников их поступления в россыпи. Удлиненно-призматические зерна сносились из девонских россыпей Воронежской антеклизы (Блинов, 1964). Хорошо окатанные зерна цирконов – из меловых (сеноман, сантон) россыпей Тамбовско-Пензенского россыпного района (Хожаинов, 1989). Короткопризматические цирконы – из россыпей Пензенской области.

Ставролит. Минеральные разновидности ставролита, подобные полтавским, характерны для аптских и сантонских россыпей северо-востока Воронежской антеклизы.

Турмалин. Схожие, с присутствующими в россыпях, минеральные разновидности встречены в Царицынских (сантонских) россыпях Пензенской области (Гурвич С.И., Болотов А.М., 1968).

Дистен и силлиманит. Минералы этой группы представлены в россыпях зернами удлиненно-призматической и пластинчатой форм. Содержание этих минералов в тяжелой фракции полтавских отложений составляет 15-25%, достигая 35%. Такие большие содержания В.А. Гроссгейм (1966) объяснял общей распространенностью дистена и силлиманита в осадочных отложениях Русской платформы.

3.3 Условия формирования титан-циркониевых россыпей полтавской серии миоцена юго-восточного склона Воронежской антеклизы

Несмотря на обширное площадное развитие кварцево-песчаных отложений полтавского возраста в данном регионе, россыпи получили локальное распространение виде полос юго-западного простирания. В первую очередь это связано с тектоническим режимом данного региона, выразившемся в распределении литолого-фациальных комплексов и субкомплексов отложений. Так, россыпи концентрировались в отложениях песчаного субкомлекса прибрежно-морского комплекса, вблизи границ распространения отложений пелитово-песчаного субкомплекса, развитие которого связано с Миллеровским поднятием на склоне Первомайско-Чирской моноклинали. Песчаные и глинистые породы отсортировывались в виде линз на локальных возвышенных и пониженных участках поднятия. Россыпи же формировались на восточном склоне Миллеровского поднятия в более спокойной и глубоководной обстановке.

Результаты минерального и гранулометрического анализов, а также анализ палеогеографической обстановки показали, что рудные минералы концентрировались в очень узких гранулометрических границах и формировались при одновременном взаимодействии поступательных и колебательных движений среды осадкообразования. Следовательно, россыпи формировались в высокоэнергетических обстановках участков морского дна под действием волн и медленных вдольбереговых течений. Наиболее вероятно, что такие условия существовали на склонах конседиментационно развивающихся локальных поднятий морского дна, ставших тектоническими ловушками для тяжелых минералов (Патык-Кара, 2002, 2005). Эти поднятия являются локальными тектоническими структурами чехла Воронежской антеклизы и выделены в ряде исследований. Их природа связана с выражением в строении осадочного чехла блоковой структуры кристаллического фундамента. Следует отметить, что отмечается взаимосвязь с подобными структурами титан-циркониевого россыпеобразования и в западной части антеклизы (Беляев, 2000).

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В диссертационной работе показаны результаты исследования титан-циркониевых россыпей полтавской серии юго-восточного склона Воронежской антеклизы. Установлены закономерности геологического строения россыпевмещающих отложений. Проведено изучение текстурных особенностей полтавских отложений, их минерального и гранулометрического состава, получены данные об обстановках седиментации в пределах рассматриваемого региона. Это позволило выделить литолого-фациальные комплексы отложений полтавской серии и воссоздать палеогеографическую обстановку их формирования. На основании анализа палеогеографической обстановки, вещественного состава и строения титан-циркониевых россыпей определены источники поступления рудных минералов и факторы, влияющие на их концентрацию в россыпях.

Основные результаты проведенных работ заключаются в следующем:

1. Геологическое строение и минеральный состав отложений полтавской серии указывают на формирование их в условиях мелководно-морского бассейна. Отложения представлены преимущественно мелкозернистыми кварцевыми песками, для которых характерны однородные и слоистые текстуры: полого-волнистая, волнистая, косо-волнистая и косая. Структура их псаммитовая реже алевритовая, пелитовая и мелкопсефитовая. Гранулометрический анализ полтавских россыпевмещающих песков показал, что они хорошо отсортированы. Выделяются следующие фракции (в %): 2-1мм – 0.5, 1-0.5 мм – 0.9, 0.5-0.25 мм – 7.1, 0.25-0.16 мм – 16.7, 0.16-0.1 мм – 70.0, 0.1-0.063 мм – 4.4, <0.063 мм – 0.4. Применение метода квартилей и построение нарастающих логарифмических кривых распределения гранулометрических фракций позволило сделать выводы о динамике среды седиментации. Установлены следующие генетические типы песков: прибрежные, донные, зоны развития течений.

2. Анализ минерального состава показал, что россыпевмещающие отложения сложены выдержанной в пространстве ограниченной минеральной ассоциацией. Легкая фракция представлена кварцем (99%) и полевым шпатом. В составе тяжелой фракции присутствуют ильменит, дистен и силлиманит, рутил, ставролит, циркон, лейкоксен, турмалин, сфен, эпидот, а также гранат, корунд, анатаз в виде единичных зерен. Подобная минеральная ассоциация показывает высокую степень гидродинамической и химической зрелости отложений полтавской серии, что является признаком, характеризующим дальний перенос и многократное переотложение россыпевмещающих песков.

Вакуумно-декриптометрическое изучение трех разновидностей зерен кварца, позволило установить их первичный генезис и наметить питающие источники отложений полтавской серии. Вакуумно-декриптационная активность прозрачных и серых зерен характерна для метаморфогенных кварцев. Молочно-белые зерна дают эффекты газовыделения характерные для магматогенных кварцев, подвергшихся гидротермально-пневматолитовой и гидротермальной флюидизации. Предполагаемыми коренными источниками кварцев, слагающих легкую фракцию отложений полтавской серии послужили кристаллические породы Воронежского кристаллического массива.

3. Анализ геологического строения и состава полтавских отложений позволил дать их литолого-фациальную и палеогеографическую характеристику. Выделены литолого-фациальные комплексы отложений: прибрежно-морской и мелководного шельфа. На основании литолого-фациального анализа восстановлена палеогеографическая обстановка полтавского времени.

4. Россыпи минералов титана и циркония на южном окаймлении Русской платформы связаны с несколькими стратиграфическими горизонтами. Выделяются среднеюрские, нижне- и верхнемеловые, нижнепалеогеновые, олигоцен-миоценовые (полтавские), четвертичные. По составу они подразделяются на ильменитовые и комплексные, циркон-рутил-ильменитовые. В тектоническом отношении ильменитовые россыпи тяготеют к древним кристаллическим массивам – Воронежскому, Украинскому, Приазовскому. Комплексные россыпи развиты на периферийных частях массивов, в зоне их сочленения с отрицательными структурами — Днепрово-Донецкой впадиной, Прикаспийской синеклизой.

5. Питающие источники полтавских россыпей были определены путем анализа палеогеографической обстановки, развития россыпных объектов, их строения, а также сопоставления распространения и типоморфных особенностей россыпеобразующих минералов. Первым источником являлись позднедевонская, раннемеловая и позднеолигоценовая коры выветривания, развитые по магматическим и метаморфическим породам Воронежского кристаллического массива. Вторым питающим источником были россыпные образования мелового возраста на юге Русской платформы (месторождение Центральное). Меловые россыпи служили промежуточным коллектором для минералов, мигрировавших с севера на юг Русской платформы.

6. Установлены факторы, влияющие на россыпеобразование на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы в полтавское время. Кроме основных, характерных для возникновения комплексных россыпей платформенного типа (Россыпные месторождения…, 1997), выявлены локальные условия концентрации россыпеобразующих минералов:

Существование на морском дне возвышенных участков, связанных с конседиментационно-развивающимися положительными структурами чехла (структуры Миллеровского поднятия). Для данных участков был характерен высокоэнергетический гидродинамический режим, способствовавший перемыву терригенного материала.

Совокупность воздействия колебательных движений воды, взмучивавших осадок, на склонах подводных возвышенностей и поступательных движений морских течений.

9. Установлены критерии прогнозирования распространения титан-циркониевых россыпей в полтавских отложениях юго-восточного склона Воронежской антеклизы. Стратиграфически они связаны с отложениями нижней части полтавской серии. Россыпи концентрируются в отложениях прибрежно-морского литолого-фациального комплекса, на границе развития песчаного и пелитово-песчаного субкомплексов. Россыпи тяготеют к положительным тектоническим структурам осадочного чехла, выражавшихся в виде локальных поднятий в период россыпеобразования.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бойко Н.И, Скляренко Г.Ю. Миоценовые титано-циркониевые россыпи южного склона Воронежской антеклизы // Руды и металлы. 2007. № 6. С. 36-41.

2. Скляренко Г.Ю. Особенности вещественного состава полтавских титан-циркониевых россыпей юго-восточного склона Воронежской антеклизы // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2009. № 3. С. 110-114.

Работы, опубликованные в других изданиях:

3. Бойко Н.И., Скляренко Г.Ю. Миоценовые титан-циркониевые россыпи южного склона Воронежской антеклизы // Материалы международной конференции «Осадочные породы, полезные ископаемые и почвы, процессы гипергенеза» Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 2007. С. 77-81.

4. Бойко Н.И., Скляренко Г.Ю. Титан-циркониевые россыпи юга России // Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли. Материалы 5-го Всероссийского литологического совещания, Том I. Екатеринбург 2008. С. 93-97.

5. Скляренко Г.Ю. Полтавские титан-циркониевые россыпи южного склона Воронежской антеклизы // Материалы XII Международного научного симпозиума им. академика В.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск, 2008 г. С. 184-185.

6. Скляренко Г.Ю. Титан-циркониевые россыпи полтавской серии юго-восточного склона Воронежской антеклизы // Материалы восьмой Международной научно-практической конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии, и рационального природопользования» Новочеркасск, 2009. С. 31-33

Подписано в печать: 2.04.2010

Формат 60Х84/16. Бумага офсетная.

Условных печатных листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 793.

ООО «Экспертное бюро-Т»

344001 г. Ростов-на-Дону, ул. Станиславского 8а, оф. 111.

PAGE

PAGE 11