ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 4, с. 447-450
= ГЕОХИМИЯ =
УДК 550.4:549.02:552.143:551.583
МОДЕЛИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ РАСЧЕТА МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ: НОВЫЙ ПОДХОД К ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИМ РЕКОНСТРУКЦИЯМ
© 2015 г. А. В. Ощепкова, академик РАН М. И. Кузьмин, В. А. Бычинский, Э. П. Солотчина, К. В. Чудненко
Поступило 10.10.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565215100229
В осадках оз. Байкал, хранящих летопись изменения климата и окружающей среды в Азии в позднем кайнозое, пробурено 5 кустов глубоководных скважин. Наибольший интерес для реконструкции климата плейстоцена представляют керны скв. ВЭР-96, ВЭР-98 на подводном Академическом хребте, отделенном от берегов глубоководными котловинами [1]. Вследствие этого осадки сформированы тонкодисперным веществом из водной толщи с примесью органического материала и створок диатомей, по содержанию которых были выявлены периоды потепления и похолодания, хорошо согласующиеся с морской изотопной записью [2, 3].
Определение вещественного состава озерных осадков, особенно их глинистого компонента — важная часть палеоклиматических исследований [4]. В периоды похолодания преобладает физическая эрозия пород, продуцирующая относительно грубозернистые отложения, в то время как в условиях теплого климата активизируются процессы химического выветривания, почвообразования, что приводит к формированию глин [4, 5]. Для определения содержания слоистых силикатов в многокомпонентных системах применяли метод математического моделирования рентгеновских дифракционных (ХЯЭ) профилей [5, 6]. Повышенное количество в осадках обломочных мусковита и хлорита, как и каркасных алюмосиликатов, таких как плагиоклазы, вынесенных из коренных пород водосборного бассейна, свидетельствует о похолодании климата. В теплые климатические эпохи возрастает содержание собственно глинистых минералов — иллитов, иллит-смектитов, — поэтому метод рентгеновского ана-
Институт геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской Академии наук, Иркутск E-mail: oshepkova-anasta@mail.ru Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
лиза позволяет надежно идентифицировать климатические эпизоды. Вместе с тем большая мощность осадочной толщи делает длительным и высоко затратным детальный ХЯЭ-анализ каждого образца. Целесообразно использовать вычислительные методы, опирающиеся на данные химического состава осадков, чтобы выбрать для ХЯЭ-анализа наиболее информативные интервалы керна. Цель работы — создание экспрессного способа оценки содержания глинистых минералов для выявления теплых и холодных интервалов в климатической летописи, что особенно важно для тех интервалов, где нет четко проявленных колебаний содержания биогенного кремнезема (8Ю2Ыо). Данный поход может быть использован не только для реконструкции климата, но и для определения источника сноса осадочного материала.
Для расчета минерального состава по данным химического анализа был разработан алгоритм [7], в котором использованы классические кристал-лохимические формулы слоистых силикатов. В [7, 8] было показано, что при известном минеральном составе осадка возможен расчет химического состава глинистых минералов и определение на его основе условных стехиометрических формул основных присутствующих смешано -слойных алюмосиликатов. С помощью модели твердых растворов [9] задачу расчета минерального состава можно решать без предварительного определения стехиометрии глинистых минералов, основываясь на знании общего химического состава донных отложений. Для описания сложных минеральных фаз на практике используют три модели твердых растворов: субрегулярную, модель квадратичного формализма Даркена и модель идеального неупорядоченного твердого раствора [10—12]. Исходя из кристаллохимических соображений, мы приняли модель неупорядоченного твердого раствора, послужившую основой для расчета содержания в осадках иллита, иллит-смектита, хлорита. На завершающей стадии рас-
448 ОЩЕПКОВА и др.
Таблица 1. Минеральный состав донных байкальских осадков из скв. ББР-96, вес. %
Глубина, м 8Ю2ЫО Метод анализа Неслоистые минералы Слоистые силикаты
Глинистые Обломочные Сумма
Кварц Полевой шпат £ Иллит Иллит-смектит Хлорит-смектит Каолинит Хлорит Мусковит £ обломочных минералов £ глинистых минералов
18.45 51.0 ХКО 12.60 12.60 25.20 23.00 34.00 5.20 1.90 4.00 6.70 10.70 62.20
Расчет 8.13 17.18 25.31 39.64 22.07 0.00 5.42 2.76 8.18 61.71
32.59 0.0 ХКО 17.70 16.80 34.50 0.00 31.80 4.10 2.60 6.40 20.80 27.20 35.90
Расчет 24.51 9.53 34.04 0.00 32.01 0.00 15.13 12.82 27.95 32.01
67.85 10.0 ХЯБ 14.40 15.80 30.20 0.00 32.90 7.80 2.10 5.20 21.90 27.10 40.70
Расчет 13.26 16.80 30.06 0.00 34.15 0.00 17.34 13.04 30.38 34.15
98.13 33.2 ХКО 10.50 11.70 22.20 16.20 38.20 9.60 1.20 2.20 10.40 12.60 64.00
Расчет 22.23 15.01 37.24 34.05 15.22 0.00 5.49 3.94 9.43 49.27
Примечание. ХКО — данные метода моделирования ХКО-профилей [5]; расчет — данные комплекса "Селектор".
чета каждый из равновесных твердых растворов пересчитывали в общую условную формулу в соответствии с мольным количеством присутствующих в твердом растворе миналов. Изоморфные замещения, происходящие при формировании указанных фаз, могут быть оценены математическими методами, описывающими изменение химического состава фазы за счет вариаций ми-налов, входящих в состав твердых растворов. Для иллитов и иллит-смектитов подобрано по 15 и 16 миналов соответственно, для хлоритов — 7. Параметры температуры и давления были заданы близкими к стандартным: 20°С, 1 бар.
При расчета минерального состава осадков, накопленных в теплые и холодные периоды, существует проблема корректировки количества воды, задаваемой в модели. Потери при прокаливании (ппп) включают не только влажность осадка и конституционную воду, но и молекулярную воду, входящую в структуру 8Ю2Ыо. Об этом можно судить по высокой степени корреляции значений ппп и содержания 8Ю2Ыо (коэффициент корреляции — КК = 0.85). Поскольку в расчетах равновесного минерального состава учитывают содержание всех компонентов химического состава осадка, то при задании величины воды, равной ппп, возникает избыток воды в системе, что приводит к неверной оценке количества глинистых минералов. Содержание конституционной воды мы рассчитывали с помощью уравнения регрессии, связывающего содержание воды в структуре глинистых минералов с общим химическим составом и ппп. Из кернов скв. БЭР-96 были выбраны 4 горизонта, минеральный состав которых определяли ХЯЭ-анализом [5]. Использовали также средние составы ледниковых и межледни-
ковых интервалов скв. БЭР-96, БЭР-98 [8]. Молекулярное количество конституционной воды, связанной в слоистых алюмосиликатах, переводили в весовые проценты, затем находили сумму воды по всем минералам в пробе. При составлении регрессионного уравнения использовали 10 определений. Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид:
у = 0.0405 8Ю2 + 0.4066А1203 + 0.61 Fe2 03 + + 2.2849Mg0 - 1.6959СаО - 1.2536№2О -- 3.2179К20 - 13.2139Р205 + 0.124Н20.
На основе полученных данных рассчитан минеральный состав донных осадков из скв. БЭР-96 (табл. 1). Пробы взяты с глубин 18.45, 32.59, 67.85, 98.13 м. Пробы с глубин 18.45, 98.13 м характеризуются высоким содержанием 8Ю2Ыо (30—50%). Осадки с глубин 32.59, 67.85 м накапливались в холодные ледниковые периоды, и содержание 8Ю2Ыо в этих пробах составляет первые проценты [5]. Так как данные пробы были предварительно исследованы методом рентгенофазового анализа, их можно рассматривать как стандартные образцы, позволяющие оценить точность расчетов. Трудно ожидать хорошей сходимости результатов ХЯЭ-моделирования с расчетными данными, полученными на основе химического анализа. В любом алгоритме расчета минерального состава используют миналы, имеющие стехио-метрическую формулу со строго определенными коэффициентами, в то время как ХЯЭ-анализом фазы смешанослойных минералов определяются как совокупность слоев, отличающихся структурой, разделенных межслоевыми промежутками, заполненными обменными катионами и молекулами воды. Такие фазы имеют переменный хими-
МОДЕЛИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ
449
8Ю2Ью
8Ю2Ью, % 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
1.0 7.3 10.8 15.0 16.9 21.8 25.7 29.0 32.5 40.0 43.6 2.1 9.0 12.2 16.2 19.0 24.1 26.8 30.7 34.1 41.7 46.0
Глубина, м
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
КО
0.7
0.6
р - 0.5
¡\\i\r 0.4
11 VI- 0.3
/\Ы\ Аг 0.2
-й V ■ п -□ 0-0 0.1
1 1 1 0
Рис. 1. Распределение КО и содержания биогенного кремнезема (8Ю2Ыо) в байкальских осадках, вскрытых на Академическом хребте скважиной глубоководного бурения БВР-98 — интервал 0—50 м.
ческий состав. Это касается не только слоистых силикатов, но и твердых растворов полевых шпатов. Тем не менее, несмотря на различие величин содержания индивидуальных кристаллических фаз, оцененных разными методами, различие соотношений обломочных слоистых силикатов и глинистых минералов в целом невелико (табл. 1).
Затем был выполнен расчет минерального состава осадков скв. БЭР-98 для интервала 0—50 м (44 образца). Для всех образцов был рассчитан коэффициент обломочности (КО) — отношение суммы обломочных слоистых силикатов (мусковит, хлорит) к сумме глинистых минералов (ил-лит, иллит-смектит). Хотя кварц и полевые шпаты также обломочные минералы, в расчете КО учитывают только слоистые силикаты — хлорит, мусковит, поскольку в процессе переноса их миграционные способности близки к таковым глинистых минералов — иллитов, иллит-смектитов. Расчеты показали, что в рассматриваемом интервале величина КО менялась от 0.582 до 0.039. Высокие значения КО указывают на преобладание процессов физического выветривания на водосборной площади и соответственно на похолодание, низкие значения — на усиление химического выветривания, образование почв и потепление климата. Значения КО в каждом образце были сопоставлены с содержанием в нем 8Ю2Ыо. В большей части образцов была установлена обратная корреляция величины КО и содержания биогенного кремнезема. Вместе с тем в ряде слу
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.