Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

RARE EARTH ELEMENTS IN THE JURASSIC-CRETACEOUS TERRIGENOUS ROCKS OF THE LIMURI AND PILDA RIVER BASINS, THE FAR EAST OF RUSSIA

Medvedeva S.A. 1
1 Yu.A. Kosygin Institute of Tectonics and Geophysics
Data obtained for the first time on the content of oxides and REE in sandstones and mudstones from the Middle-Late Jurassic and Early Cretaceous formations from the Pilda and Limuri river basins (Lower Priamurye) are reported. The paper is aimed at studying the rock matter composition and determination the specific features for their description. Based on the gross chemistry and according to the chemical classification (M.M. Herron, 1988), sandstones pertain to greywacke and mudstones to the clay shales. Distinctions in different-aged lithotypes are also traced. The chemistry and REE content in the Jurassic and Cretaceous rocks are differ from each other. The amount of REE in sandstones is lower than in the siltstones. The lowest amount of REE was found in quartz siltstones. The REE content in the Cretaceous rocks is lesser than in the Jurassic ones. The values of the ratio of LREE/HREE, the lanthanum-normalized chondrite to ytterbium (LaN/YbN) and a significant Eu anomaly (Eu/Eu*) indicate the acidic composition of the rocks of the provenance. The above characteristics of REE are illustrated by the distribution diagrams of the REE content in chondrite-normalized sandstones and siltstone. The diagrams show a sharp negative slope in the spectrum of LREE and a deep negative Eu anomaly and a gentle negative slope in the spectrum of HREE. The values of the cerium anomaly (Ce/Ce*) exhibit a significant remoteness of the sedimentation basin from the mid-ocean ridge suggesting the marginal-continental environment of sedimentation.
sandstones
mudstones
Jurassic
Cretaceous
rare earth elements (REE)
Limuri
Pilda
Russian Far East
1. Vatrushkina E.V., Tuchkova M.I. Sedimentation conditions and provenance composition of the upper jurassic-lower cretaceous deposits of the Upper Pegtymel depression, Chukotka terrane. Russian Journal of Pacific Geology. 2018. vol. 37. no. 4. P. 87–107. DOI: 10.1134/S18197140180400731.
2. Ovchinnikov R.O., Sorokin A.A., Kovach V.P., Kotov A.B. Geochemical features, sources, and geodynamic settings of accumulation of the cambrian sedimentary rocks of the Mel’gin trough (Bureya continental massif). Geochemistry International. 2019. vol. 57. no. 5. P. 540–555. DOI: 10.1134/S0016702919050094.
3. Antonina A.Nor, Shazili N.A.M., Kamaruzzaman B.Y., Ong M.C., Y. Rosnan, Sharifah F.N. Geochemistry of the Rare Earth Elements (REE) Distribution in Terengganu Coastal Waters: A Study Case from Redang Island Marine Sediment. Open Journal of Marine Science. 2013. vol. 3. no. 3. July 19. Р. 154–159. DOI: 10.4236/ojms.2013.33017.
4. Malinovsky A.I., Golozubov V.V., Kasatkin S.A. Geochemistry, supply and geodynamic settings of sedimentation of Lower Silurian terrigenous deposits in Laoeling-Grodekovo terrane, Primorye // Advances in current natural sciences. 2019. № 11. Р. 121–127 (in Russian).
5. Hu Fei, Liu Zhaojun, Meng Qingtao, Xu Jinjun. Petrography and geochemistry of Cenozoic sandstones in the Dunhua Basin, northeast China: provenance, degree weathering, and tectonic setting // Tihookeanskaja geologija. 2015. V. 34. № 2. P. 82–102 (in Russian).
6. Kaidalov V.A., Anoikin V.I, Belomestnova T.D. State Geological Map of Russian Federation. 1:200 000. Sheet М-54-I. Explanatory Note. SPb.: VSEGEI, 2009. 185 p. (in Russian).
7. Taylor S.R., McLennan S.M. The continental crusts: its composition and evolution. M.: Mir, 1988. 384 p. (in Russian).
8. Kudymov A.V., Medvedeva S.A. Provenance of the middle jurassic-lower cretaceous (berriasian-valanginian) deposits of the Lower Amur region. Russian Journal of Pacific Geology. 2012. vol. 6. no. 3. P. 230–241.
9. Murray R.W., Buchholtz T., Brink M.R., Jones D.L., Gerlach D.C., Russ G.P. Rare earths elements as indicators of different marine depositional environments in chert and shale. Geology. 1990. vol. 18. P. 268–272.

Фундаментальной задачей геологических наук является получение знаний об эволюции Земли в целом, в частности – об эволюции осадочных бассейнов. С осадочными бассейнами связаны месторождения многих рудных и нерудных полезных ископаемых. Изучение вещественного состава осадочных пород, слагавших древние бассейны, помогает в реконструкциях происходивших ранее процессов [1, 2]. Для этого используют в том числе и характер распределения редкоземельных элементов (РЗЭ) [3–5]. Считают, что они мало изменяются при осадконакоплении. Сведений о содержаниях РЗЭ в мезозойских осадочных породах Нижнего Приамурья нет. Цель работы – в определенной мере изменить эту ситуацию. Для этого исследовано поведение РЗЭ в терригенных породах средне-позднеюрского и раннемелового возрастов в бассейнах рек Пильда и Лимури (левобережье р. Амур).

Материалы и методы исследования

Каменный материал отобран из коренных выходов по берегам водотоков и из полотна горных выработок. Содержания РЗЭ определялись в Хабаровском инновационно-аналитическом центре ИТиГ им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН методом спектрального анализа в аргоновой плазме, на приборе ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer (США). Разложение проб выполнено кислотно-микроволновым методом в автоматической системе пробоподготовки Multiwave 3000 (аналитики Д.В. Авдеев, В.Е. Зазулина). Чувствительность определений до 10-9 г/л. Обработка результатов анализов проводилась стандартными приемами, используемыми многими отечественными и зарубежными исследователями.

Результаты исследования и их обсуждение

Геологический очерк

Осадочные образования района принадлежат Бокторской и Горинской структурно-формационным подзонам (СФПЗ) Баджало-Горинской структурно-формационной зоны (СФЗ) Сихотэ-Алиньской складчатой системы (рис. 1).

Они представлены следующими стратонами: в Бокторской подзоне бокторской толщей (T2-J2bk), ульбинской (J2ul) и силинской (J3sl) свитами; в Горинской подзоне – лимурчанской толщей (J2-3lm), горинской (K1gr) и пионерской (K1pn) свитами [6]. Бокторская толща – кремнистые и кремнисто-глинистые породы, базальты, туфы основного состава. Ульбинскую свиту слагают алевролиты и аргиллиты с маломощными прослоями песчаников, базальтов и их туфов, кремнисто-глинистых и кремнистых пород. В составе силинской свиты преобладают песчаники. В ней содержатся также слои алевролитов, пачки переслаивания песчаников и алевролитов, прослои и линзы гравелитов, конгломератов и седиментационных брекчий. Лимурчанская толща алевролитовая, в ней есть линзы и прослои песчаников, основных туфов, базальтов, иногда кремнистых пород и мергелистых известняков. Нижнемеловые берриас-валанжинские отложения сугубо терригенные. Горинская свита преимущественно песчаниковая. В песчаниках содержатся прослои алевролитов, линзы гравелитов, конгломератов, седиментационных брекчий и пачки переслаивания алевролитов и песчаников. Пионерская свита сложена алевролитами со слоями песчаников, пачками ритмичного переслаивания алевролитов, песчаников и гравелитов.

Вещественный состав пород

Песчаники – это мелкозернистые, средне-мелкозернистые массивные темно-серые, серые породы, иногда с зеленоватым оттенком. Алевролиты – темно-серые до черных массивные и слоистые породы. Петрографические разновидности песчаников – полевошпатовые граувакки, редко граувакковые аркозы. Согласно химической классификации М.М. Хиррона (1988 г.) на основе содержаний породообразующих оксидов большинство песчаников относятся к ваккам (грауваккам), реже – к аркозам, алевролиты – к глинистым сланцам (рис. 2).

medved1.wmf

Рис. 1. Схема расположения структурно-формационных зон (СФЗ) и подзон (СФПЗ) Сихотэ-Алиньской складчатой системы по [6]

medved2.wmf

Рис. 2. Положение фигуративных точек средне-позднеюрских и раннемеловых пород на классификационной диаграмме. Песчаники свит: 1 – ульбинская, 2 – силинская, 3 – горинская + пионерская; алевролиты: 4 – ульбинская, 5 – силинская, 6 – лимурчанская, 7 – горинская

Химический состав песчаников ( %): SiO2 – 68–80, TiO2 – 0,3–0,7, Al2O3 – 11–16, Fe2O3 (общ.) – 1,8–3,5, MgO – 0,3–1,0, CaO – 0,2–1,3, Na2O – 2,7–4,1, К2О – 2,4–3,5. В алевролитах меньше SiO2 и Na2О, но больше других оксидов. Состав алевролитов: SiO2 – 64–66, TiO2 – 0,73–0,9, Al2O3 – 16–18, Fe2O3 (общ.) – 4,8–6,0, MgO – 0,8–2,1, СаО – 0,4–1–0, Na2O – 1,6–3,2, К2О – 3,5–4,4.

Суммы РЗЭ в песчаниках составляют (в г/т): ульбинская свита (115–126), силинская – (103–150), горинская и пионерская – (81–150); в алевролитах суммы РЗЭ выше: ульбинская свита – (117–222), силинская – (165–215), лимурчанская – (120–181), горинская и пионерская – (147–172). Это согласуется с мнением о том, что при уменьшении размеров зерен в терригенных породах увеличиваются содержания РЗЭ. Но в окварцованных алевролитах силинской свиты обнаружены наименьшие суммы РЗЭ (83–104), которые, однако, обусловлены низким содержанием РЗЭ в кварце, а не изменением зернистости (таблица).

В обоих литотипах более высокие содержания зафиксированы в породах Бокторской подзоны относительно более молодых меловых пород Горинской подзоны. В целом содержание РЗЭ в изученных породах меньше, чем в постархейском австралийском сланце (PAAS = 185 г/т) [7], но больше, чем в породах Кавказской складчатой системы (СС): пески – 80 г/т, глины – 128 г/т. Относительно алевропесчаников Русской платформы (140 г/т): в изученных алевролитах содержится больше РЗЭ, а в песчаниках – меньше (рис. 3).

Главная роль в содержании и характере распределения РЗЭ в терригенных породах принадлежит составу пород, слагающих размываемую территорию. Состав морской воды влияет на концентрацию РЗЭ в таких породах незначительно. Согласно [7] отношение суммы легких РЗЭ (ЛРЗЭ = La+…+Eu) к сумме тяжелых РЗЭ (ТРЗЭ = Gd+…+Lu) выше 8 соответствует кислому составу пород источников сноса. В исследованных песчаниках ЛРЗЭ/ТРЗЭ изменяется от 8,5 до 13,2, в алевролитах оно составляет 8,2–11,3. Поведение отношений нормированного лантана к нормированному иттербию (LaN/YbN) аналогично поведению ЛРЗЭ/ТРЗЭ. Значения LaN/YbN несколько выше ЛРЗЭ/ТРЗЭ: в песчаниках они колеблются от 9,4 до 16,1, в алевролитах – от 6,3 до 17,9 (рис. 3). Следовательно, в источнике сноса были развиты породы кислого состава.

Значения ЛРЗЭ/ТРЗЭ и LaN/YbN во всех изученных песчаниках и алевролитах выше средних значений в алевропесчаниках Русской платформы. Они значительно выше относительно таковых значений в соответствующих породах Кавказской СС. Это говорит о более кислом составе исследованных пород, что является их региональной особенностью. Поведение нормированных по хондриту РЗЭ демонстрирует рис. 4.

Средние содержания РЗЭ в мезозойских породах бассейнов рек Пильда и Лимури

 

Бокторская подзона / свиты

Горинская

подзона

Бокторская подзона

Горинская подзона

 

Песчаники

Алевролиты

Окварцованные алевролиты

Алевролиты

Элементы

Ульбинская

Силинская

Горинская +

пионерская

Ульбинская

Силинская

Лимурчанская

Горинская +

пионерская

La

24,60

27,98

23,02

32,41

36,74

18,36

28,92

14,61

Ce

52,93

59,49

50,11

74,95

79,57

39,03

66,89

25,35

Pr

5,77

6,50

5,44

8,00

8,61

4,24

7,32

6,93

Nd

22,00

24,62

20,70

30,89

32,59

16,25

28,45

11,18

Sm

3,89

4,29

3,67

5,62

5,84

2,93

5,39

4,13

Eu

0,76

0,81

0,75

1,02

1,05

0,54

0,92

0,76

Gd

3,72

4,04

4,18

5,53

5,81

2,98

5,09

3,43

Tb

0,44

0,47

0,47

0,69

0,72

0,37

0,64

0,38

Dy

2,50

2,56

2,52

3,96

4,06

2,21

3,35

2,11

Ho

0,46

0,47

0,47

0,75

0,79

0,41

0,62

0,33

Er

1,37

1,43

1,36

2,28

2,38

1,22

1,86

0,99

Tm

0,18

0,19

0,19

0,31

0,33

0,16

0,27

12,62

Yb

1,35

1,45

1,28

2,30

2,46

1,18

1,93

6,88

Lu

0,19

0,20

0,18

0,33

0,35

0,16

0,30

0,99

Сумма

120

135

114

169

181

90

152

157

LaN/YbN

12,4

13,2

12,4

9,5

10,4

 

10,2

16,8

Eu/Eu*

0,61

0,59

0,59

0,56

0,55

 

0,54

0,56

Ce/Ce*

1,04

1,03

1,06

1,09

1,05

 

1,02

1,02

n

9

8

13

13

11

3

12

3

Примечание. n – количество проб, СФПЗ – структурно-формационная подзона.

medved3.wmf

Рис. 3. Положение фигуративных точек средне-позднеюрских и раннемеловых песчаников (А) и алевролитов (Б) бассейнов рек Пильда и Лимури. Условные обозначения: 1–7 – на рис. 2, 8 – окварцованные алевролиты, 9 – пески Кавказской СС по Ю.А. Балашову (1976), 10 – алевропесчаники Русской платформы по А.А. Мигдисову и иным, (1994), 11 – глины Кавказской СС по Ю.А. Балашову (1976), 12 – РААS

medved4.wmf

Рис. 4. Графики распределения РЗЭ в песчаниках (А) и алевролитах (Б) бассейнов рек Пильда и Лимури. Условные обозначения приведены на рис. 2, 3

Указанные графики подобны графикам PAAS и пород Кавказской СС. Они однотипны у песчаников и алевролитов всех свит. Характерен отрицательный крутой наклон в области ЛРЗЭ и пологий – в области ТРЗЭ. Значения LaN/SmN отражают распределение ЛРЗЭ, составляют в изученных песчаниках 3,5–4,5, в алевролитах они немного ниже – 2,8–4,3. В этой области тренды более крутые по сравнению с трендами глин и песков Кавказской СС, имеющих меньшие значения LaN/SmN, и более пологие, чем у PAAS. Поведение РЗЭ в тяжелой части спектра характеризуется отношением гадолиния к иттербию. В изученных песчаниках GdN/YbN составляет 2,0–3,5, в алевролитах – 1,6–4,6. Сумма ТРЗЭ меньше по сравнению с эталонами, поэтому на графиках наблюдается более резкий отрицательный наклон. Европиевая аномалия Eu/Eu* = EuN/[(SmN)(GdN)]1/2 показывает степень обеднения (отрицательное отношение Eu/Eu* или меньше 1) либо обогащения (положительное отношение Eu/Eu* или больше 1) пород Eu. Она также служит показателем состава пород. Значительное обеднение присуще кислым породам, слабое – основным [7]. На графиках аномалия хорошо выражена «провалом». Значения Eu/Eu* испытывают колебания от 0,50 до 0,69 в песчаниках, от 0,48 до 0,62 в алевролитах и показывают сильное обеднение Eu. В более молодых меловых породах оно меньше, но для отдельных свит средние значения Eu/Eu* отличаются незначительно (таблица). Это может говорить о некотором постоянстве состава материнских пород в областях размыва. Значения ЛРЗЭ/ТРЗЭ, LaN/YbN, Eu/Eu* позволяют сделать вывод о том, что в областях сноса были развиты породы преимущественно кислого состава. Это согласуется с выводом, сделанным в [8]. По значениям цериевой аномалии (Ce/Ce*) оценивают удаленность бассейна осадконакопления от срединно-океанического хребта (СОХ) и, соответственно, обстановку седиментации [9]. Ce/Ce* ≈ 0,25–0,3 характеризует расстояние от СОХ в 300–400 км (близспрединговая). При Ce/Ce* ≈ 0,55–0,6 расстояние от СОХ варьируется от 400 до 2500–3000 км (обстановка глубоководных котловин), а Ce/Ce* ≈ 0,9–1,3 показывает удаление от СОХ более 3000 км (окраинно-континентальная обстановка). Разброс значений Ce/Ce* в изученных породах составляет 0,86–1,34, средние значения немного превышают 1. Они фиксируют наибольшее удаление от СОХ, что свидетельствует об окраинно-континентальных обстановках осадконакопления в прибрежном бассейне.

Заключение

Проведенные исследования позволили впервые получить данные о содержаниях РЗЭ в позднемезозойских породах бассейнов Пильда и Лимури. Анализ рассчитанных параметров констатирует значительное преобладание компонентов пород кислого состава в областях денудации. Осадки накапливались в прибрежном бассейне вблизи континента.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ № 19-05-00097.