ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 111-115
УДК 549:53:553.32
ВЗАИМОСВЯЗИ МИНЕРАЛЬНОГО И МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ДОННЫХ ОСАДКОВ ОХОТСКОГО МОРЯ
© 2015 г. Н. А. Пальчик, Т. Н. Мороз, Т. Н. Григорьева, А. В. Дарьин, Л. В. Мирошниченко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск
E-mail: nadezhda@igm.nsc.ru
Методами рентгеновской дифрактометрии, рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА СИ) и колебательной спектроскопии проведен анализ микроэлементного состава и минералов, слагающих донные железо-марганцевые корки и осадки скважины глубоководного бурения из котловины Дерюгина, а также района сноса реки Амур в Охотском море. Выявлены взаимосвязи минерального и микроэлементного состава, структурных характеристик и свойств с условиями формирования исследуемых образований.
DOI: 10.7868/S036767651501024X
ВВЕДЕНИЕ
Современное осадконакопление в котловине Дерюгина имеет ряд особенностей, отличающих этот район от глубоководной части Охотского и других окраинных Восточных морей. Известно, что природные воды в районе этой котловины имеют минимальное содержание кислорода, что создает специфические условия осадкообразования [1, 2]. Важная роль при изучении микроэлементов в донных осадках принадлежит глинистой компоненте из-за ее высокой сорбционной емкости. Поверхностные реакции глин, особенно смектитов, имеют громадное биогеохимическое и экологическое влияние в почвах, водах, используются в индустриальных процессах, в клинической практике и для утилизации отходов [3, 4]. Анализируя глинистую составляющую, минеральный и элементный состав исследуемых образцов, мы обнаружили, что трансформация ил-лит-смектитовой компоненты реагирует на изменения окружающей среды [5, 6]. Рядом авторов было показано, что активная карбонатная седиментация в морских осадках обусловлена глобальными пульсациями талых вод [7], а состав карбонатных минералов и их кристаллохимиче-ские свойства являются чувствительными индикаторами изменения водного баланса в водоемах. Выполненные исследования показывают высокую перспективность нового подхода, базирующегося на минералого-кристаллохимических исследованиях карбонатов. Перспективность этого анализа показана при изучении высококарбонатных осадков озер Западного Прибайкалья [8, 9], озера Чаны на юге Западной Сибири [10]. Согласно литературным данным, элементный состав в значительной степени реагирует на изменения
окружающей среды [7, 8, 11—14]. Так теплые и влажные интервалы в климатической летописи характеризуются повышенными содержаниями элементов Вг, Са, и, Са/К, 8г/ЯЪ, Бг/П, У/ЯЪ, холодные интервалы — максимальными К, Т1, Ьа,Се, ТЬ, N1, Сг.
Цель работы — исследование элементного и микроэлементного состава минералов, слагающих донные осадки из разных районов котловины Дерюгина и района сноса реки Амур в Охотском море методами рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА-СИ), рентгеновской дифрактомет-рии и колебательной спектроскопии и выявление взаимосвязи минерального и микроэлементного состава, структурных характеристик и свойств с условиями формирования исследуемых образований.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовано 45 образцов скважины глубоководного бурения 8о178-78 (мощность 1825 см), образцы Fe—Mn корок из разных мест баритовых отложений в котловине Дерюгина, 11 образцов района сноса реки Амур в Охотском море.
Элементный и микроэлементный анализ образцов определялся на станции энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного элементного анализа ВЭПП-3 Центра синхротронного излучения ИЯФ СО РАН по аттестованной методике [15]. Эмиссионные спектры исследуемых проб возбуждались пучком монохроматизированного излучения энергией 25 кэВ. Образцы готовились прессованием порошка в таблетки весом 30 мг и
12 15
21 24 27 30 33 29° CuK
Рис. 1. Дифрактограммы нескольких образцов колонки 8о178-78 Дерюгинской впадины (мощность 1825 см).
диаметром 6 мм. Обработку эмиссионных спектров проводили с помощью специализированной программы AXIL [16]. При количественном расчете использован метод "внешнего стандарта".
Для определения фазового состава кристаллических веществ и структурного состояния исследуемых объектов использована порошковая рентгеновская дифрактометрия, которая также позволяет определять количественные соотношения
фаз, характеристики тонкой кристаллической структуры и кристаллохимические особенности дисперсных большей частью плохо окристалли-зованных марганцевых минералов. Рентгеновские исследования проводились на порошковом дифрактометре ARL X'TRA фирмы "Thermo Fisher Scientific (Ecublens) SARL", Швейцария, (излучение CuKa). Дифракционные картины отсканированы в интервале 29 от 2° до 55° с шагом 0.05°, время сканирования в точке — 5 с. Уточнение структурного состояния отдельных минералов потребовало применения специальных методик, таких как температурная обработка. ИК-спектры регистрировались на фурье-спектрометре FT-IR VERTEX 70 фирмы Брукер (использован метод вакуумного прессования таблеток образца с спектрально чистым KBr).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Минеральный состав образцов из скважины представлен кварцем, плагиоклазом, хлоритом, иллитом, иллит-смектитом, каолинитом, иногда с примесью карбонатов и следами гипса, пирита, цеолитов, а также биогенным кремнеземом. Последний проявляется на дифрактограммах как гало в области около 20°-30° (20 СиКа) (рис.1). Минеральный состав незначительно различается, зафиксированы как карбонатные, так и бескарбонатные зоны, что отражается на ИК-спектрах в наличии или отсутствии полосы в области около 1435—1460 см-1. Образцы сноса реки Амур также сложены преимущественно кварцем, плагиоклазом, каолинитом, слюдой мусковитового типа, разупорядоченным смектитом и иллит-смекти-том. Содержания же элементов, таких как Мп, V, Бг, Аз, в осадках скважины выше, чем в районе сноса реки, где вместе с тем наблюдается большее, чем в колонке, количество ТИ, и, Zn, 8Ъ и др., возможно, техногенной природы (таблица). Это по-
Результаты микроэлементного анализа по данным РФА СИ в ррт для нескольких образцов из скважины глубоководного бурения и сноса реки Амур
Образец V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga As Br Rb Sr Y Zr Nb Sb Ba Th U Sn
97 см 232.7 70 2603.8 26481 41.9 48.7 112.0 5.9 13.2 56.6 40.3 168.8 10.0 85.8 2.9 8.3 547.6 8.2 2 1.1
822 см 303.3 70 470.5 25562 15.0 23.9 74.1 9.8 21.7 28.3 60.6 114.4 12.4 96.7 5.2 1.2 289.3 2.0 2 1.2
1473 см 228.2 160 4325 38077 15.8 23.0 118 14.5 28.8 43.9 70.6 172.0 92.1 116.0 5.8 3.9 476.3 24.3 2 1.7
1687 см 233.9 73 1493.7 35304 16.3 43.3 95.8 11.5 7.6 34.0 60.7 136.5 14.4 121.3 3.7 3.4 382.3 8.0 2 1.5
Амур 153 146 750 56700 50.5 69 272 20.9 9.1 10.1 144 156 38.8 199 17 13.7 н.о. 14.7 5.1 9.9
Примечание. Из 45 образцов вдоль колонки глубоководного бурения только в двух (485 и 1473 см) наблюдались повышенные содержания редкоземельных и ряда других элементов, в том числе ТИ.
Распределение элементов К, Са, Т1, Ьа, Се по глубине приведено на рис. 4. Дополнительно определяли элементы Мо, 1п, С^ Сз, I; чтобы облегчить таблицу, их значения не приведены из-за небольших вариаций в количествах.
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
1Мп
1||1||||111|1|.11||,1
Рис. 2. Распределение Мп (ррт) по глубине колонки 8о78-178 Дерюгинской впадины.
казывает, что осадконакопление в Дерюгинской впадине не связано с конусом выноса реки Амур.
В исследуемых образцах глубоководной скважины были выявлены аномально высокие содержания Мп, Fe, Ва, а также V, 8г. Самые высокие концентрации Мп (рис. 2) и Ва наблюдаются в верхних горизонтах (1—124 см) и в нижних (1473— 1820 см). В этих же интервалах мы обнаружили максимальные содержания (порядка 10% от валового состава) карбонатов: в верхней части колонки — это преимущественно кальцит, в нижней — непрерывный ряд структурно разупорядоченных разностей кутногорита: Ca(Mn,Mg)(CO3)2, анкерита и родохрозита — МпС03. В средней части разреза карбонаты присутствуют в следовых количествах. Проведено разложение сложных рентгеновских профилей карбонатов в интервале углов 28°—32° (29°СиДа) на индивидуальные пики функцией Пирсона VII (рис. 3а, 3б). Модельный подход позволил с высокой точностью определить положение максимума, интегральную интенсивность аналитического пика каждой карбонатной фазы и оценить их соотношения.
Вдоль колонки в широких пределах варьирует содержание глинистой составляющей (от 10 до 60%) (рис. 1). Ранее на примере изучения глинистых минералов голоцен-плейстоценовых отложений Охотского моря, вскрытых колонкой 28-40-5 [6] было показано, что основную палеоклиматиче-скую нагрузку в ансамбле глинистых минералов несут смешанослойный иллит-смектит и иллит. Наиболее яркий климатический сигнал в минералогической летописи — концентрация смектито-вых слоев в иллит-смектите, увеличение которой соответствует потеплению и увлажнению климата и наоборот. Этот показатель надежно фиксиру-
Кальцит 3.04
29.0
29.5
30.0
30.5
31.0
31.5 29° СиД
М8-кутногормт Анк5еАит
29.0
29.5
30.0
30.5
31.0
31.5 29° СиД
Рис. 3. Разложение функцией Пирсона-"У11 фрагментов дифрактограмм карбонат содержащих образцов 124 см (а) и 1820 см (б) в интервале 29 от 28° до 32°.
ет не только продолжительные, но и кратковременные климатические события [6].
Согласно литературным данным [7, 9, 11], теплые и влажные интервалы в климатической летописи характеризуются повышенными содержаниями элементов Вг, Са, и, Са/К, 8г/ЯЪ, 8г/Т1, У/ЯЪ, холодные интервалы — максимальными К, Т1, Ьа,Се, 1Ь, N1, Сг (рис. 4а, 4б). Верхние 100 см разреза имеют большие количества первой группы элементов и смектитовых слоев в иллит-смек-титовой составляющей (рис. 1), что соответствует теплому климату. В образце 110 см отмечаются повышенные содержания второй группы элементов и небольшое уменьшение иллит-смектита, что свидетельствует о похолодании в этот временной интервал (рис. 1, 4а). Таким образом, анали-
а
1800 1600 1400 1200 1000 800
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.