Формы нахождения редкоземельных элементов в туфогенных породах из районов активной геофагии в горах Сихотэ-Алиня (Приморский край, Россия)

Полный текст

Введение

В местах регулярного поедания дикими и домашними животными горных пород формируются характерные, легко узнаваемые ландшафтные комплексы, которые в русскоязычной литературе принято называть природными солонцами. Во избежание терминологической путаницы с солонцами и солончаками из почвоведения, а также в связи с тем, что данные объекты чаще всего содержат ничтожные количества растворимых солей, с 2013 г. в научных публикациях мы используем для их обозначения термин «кудур» [1], заимствованный из лексикона тюркских пастухов, или иногда двойной термин – «солонец-кудур». Производный термин «кудурит» обозначает минеральные грунты, потребляемые животными на кудурах.

Проведенные ранее исследования в Сихотэ-Алине [2] позволили выявить в пределах территории Приморского края семь районов активной геофагии, где дикие животные (преимущественно копытные) регулярно употребляют грунты (кудуриты). Общими геологическими характеристиками для всех этих районов являются наличие ранне-среднекайнозойских вулканитов риолит-дацитового состава с характерной поствулканической цеолит-смектитовой минерализацией, а также редкометалльная (в том числе редкоземельная) и золото-серебряная рудная металлогеническая специализация.

Ранее, основываясь на результатах анализа собственных, а также опубликованных данных других исследователей по геохимии кудуритов в различных регионах мира, была предложена гипотеза о том, что причина геофагии может быть как-то связана с редкоземельными элементами (РЗЭ) [3]. Позднее, после детального геолого-геохимического изучения двух районов активной геофагии в Сихотэ-Алине нами впервые были выявлены ландшафтные аномалии РЗЭ, подтверждаемые повышенными концентрациями этих элементов в горных породах, почвах, поверхностных водах, растительности, а также в тканях животных-геофагов [4].

В настоящей статье акцентируется внимание на данных электронно-микроскопических исследований образцов туфогенных пород (слагающих природные солонцы-кудуры), собранных в трех районах на территории Сихотэ-Алиня с целью изучения форм нахождения и элементного состава РЗЭ-фаз, которые могут быть причиной отмечаемой там активной геофагии.

Краткая характеристика районов исследования

Для изучения закономерностей распределения РЗЭ в сихотэ-алинских туфогенных породах были выбраны три района активной геофагии (рис. 1, А).

 

Рис. 1. Местоположение районов исследования и типичные природные солонцы-кудуры. А – районы исследования: 1 – «Ванчин»; 2 – «Шандуй»; 3 – «Бикин»; Б – лось и изюбры на кудуре в оглиненных туфах района «Бикин»; В – пятнистые олени на кудуре в туффитах района «Ванчин»; Г – Н.Ю. Попов на кудуре в витрокристаллических туфах района «Шандуй»

 

Первый район находится в пределах Ванчинской вулканотектонической грабеноподобной впадины в южной части главного водораздела Сихотэ-Алиня на территории национального парка «Зов тигра» и охватывает верховья р. Милоградовка (район «Ванчин») (рис. 1, А, В). Второй район приурочен к Шандуйскому палеовулкану в центральной части Сихотэ-Алиня, большей частью на территории Сихотэ-Алинского биосферного заповедника (район «Шандуй») (рис. 1, А, Г). Третий район («Бикин») приурочен к Верхнебикинской палеовулканоструктуре в приводораздельной части рек Бикин и Максимовка. Со стороны Бикина данная территория входит в состав национального парка «Бикин».

По данным [5] чехол Ванчинской вулканотектонической впадины выполнен палеоцен-эоценовыми угленосными вулканогенно-осадочными отложениями мощностью в первые сотни метров. Они прорываются экструзиями и перекрываются небольшими покровами эоценовых риолитов, дацитов и трахиандезитов. Кайнозойские вулканогенно-осадочные отложения чехла Ванчинской впадины несогласно залегают на породах фундамента, представленных юрскими и нижнемеловыми терригенными толщами, а также позднемеловыми–раннепалеоценовыми эффузивами Восточно-Сихотэ-Алинского вулканического пояса среднего и кислого составов. В пределах Ванчинского грабена выявлена объемная цеолитизация туфогенных пород, а также многочисленные золото-серебряные, оловянные и полиметаллические рудопроявления и, кроме того, германиевая и редкоземельная минерализации в углях [6]. Здесь известны более 15 природных солонцов-кудуров в вулканогенных породах (преимущественно туффитах), регулярно посещаемых дикими копытными животными (изюбри, пятнистые олени, косули) (рис. 1, В).

Вторая исследованная область (район «Шандуй») охватывает верховья рек Заболоченная, Солонцовая и Таежная, включая гору Солонцовая, в центральной части хребта Сихотэ-Алинь. Данная территория приурочена к руинам Солонцовского (Шандуйского) палеовулкана, слабо проявленного в современном рельефе [7]. Вулканическая постройка сложена палеоценовыми кислыми и средними эффузивами, с преобладанием их пирокластических разновидностей, вмещающих гидротермальную цеолитовую и серебряную минерализацию [8]. В районе «Шандуй» выявлено более 10 солонцов-кудуров, посещаемых изюбрами и косулями и приуроченных к обнажениям оглиненных вулканогенных пород (преобладают витрокристаллокластические туфы) (рис. 1, Г). Большинство выходов кудуритов образовалось в результате широко развитых в этом районе оползней.

Третий район исследования («Бикин») находится в северо-восточной части Приморского края, охватывая водораздельную часть главного хребта Сихотэ-Алинь в верховьях рек Бикин и Максимовка. Распространенные здесь кислые вулканиты верхнемелового–раннекайнозойского возраста и, в меньшей степени, среднекайнозойские эффузивы контрастной серии, а также раннекайнозойские вулканогенно-осадочные слабоугленосные отложения формируют Верхнебикинскую палеовулканоструктуру. В пределах данного района установлены участки развития объемной цеолитизации в туфогенных породах, а также небольшие рудопроявления золота, олова и полиметаллов [9]. Здесь выявлено около 30 солонцов-кудуров (в интенсивно оглиненных обнажениях туфов и туффитов), регулярно посещаемых изюбрами, лосями и косулями (рис. 1, Б).

Практически все кудуриты в изученных районах представлены выходами цеолитизированных и оглиненных субгоризонтально слоистых вулканогенных и вулканогенно-осадочных пород (витрокристаллокластические туфы, туффиты, туфоалевролиты и туфопесчаники). Витрокристаллокластические туфы риолитов состоят из уплощенных, реже угловатых обломков разложенного вулканического стекла различной размерности. Цементирующая основная масса сложена частицами стекла псаммитовой размерности и обломками кристаллов кварца, серицитизированных зерен калиевого полевого шпата и опалитизированных чешуек биотита. Туффиты, туфопесчаники и туфоалевролиты состоят из угловатых обломков кварца, полевого шпата, вулканического стекла и редких обломков пород фундамента. Цементирующая масса сложена обломками пелитовой и алевритовой размерности. В минеральном составе туфогенных пород преобладают глинистые (преимущественно смектит) от 10 до 95% и цеолиты (преимущественно клиноптилолит и гейландит) от 10 до 60% объема. Примесь зерен кварца и полевых шпатов от 15 до 50% [2, 5, 8].

Материалы и методы

При изучении распределения редких элементов, в частности РЗЭ, в различных горных породах исследователи в большинстве случаев сталкиваются с трудностями поиска и анализа микро- и тонкодисперсных форм их выделений. В данной работе использовалась уже апробированная методика, заключающаяся в исследовании форм нахождения редких металлов в сколах и порошках пород с помощью сканирующей электронной микроскопии [10].

Материалы для лабораторных исследований были получены в ходе полевых работ в 2020–2021 гг. Всего на кудурах в трех исследованных районах было отобрано около 130 образцов вулканогенных пород.

Идентификация форм выделений РЗЭ была проведена в ЦКП ДВГИ ДВО РАН на сканирующих электронных микроскопах Tescan Lyra 3 XMH и JSM-6490LV, оснащенных аналитическими приставками (ЭДС) AZtec X-Max 80 и INCA Energy соответственно. Предварительная пробоподготовка включала в себя дробление и измельчение каменного материала, квартование и расситовку продуктов измельчения. Сканирование обособленных частиц туфогенных пород (в виде порошка разных фракций), закрепленных с помощью углеродистого скотча на алюминиевых цилиндрических столбиках, проводилось как в автоматическом, так и в ручном режимах. Для автоматического поиска и анализа РЗЭ-фаз использовался уникальный программный модуль AZtecFeature. Шаг сканирования электронного зонда в данном режиме составлял 200 нм, а минимальный размер анализируемых РЗЭ-фаз – 450 нм. В ручном режиме анализ осуществлялся по нескольким точкам, включающим как сами редкоземельные фазы, так и вмещающую их матрицу. Энергетические спектры в выбранных точках были получены при ускоряющем напряжении 20 кВ. Полуколичественные данные энергодисперсионного анализа интерпретировались с учетом влияния химического состава вмещающей матрицы (алюмосиликаты), напыления образцов углеродом (карбонаты) и структурно-морфологических особенностей выделений РЗЭ-фаз (водные и безводные фосфаты).

Результаты и обсуждение

В ходе съемки в режиме автоматического поиска 16 порошковых проб туфов из трех исследованных районов были обнаружены выделения (размером до 100 мкм) редкоземельных фаз в количестве от первых десятков до первых сотен в одной пробе.

Анализ их составов в ручном режиме показал присутствие РЗЭ (лантаноидов и Y), в собственных минеральных формах, соответствующих фосфатам, силикатам, карбонатам и фторкарбонатам.

Ванчинская вулканотектоническая впадина

Некоторые данные сканирующей электронной микроскопии образцов туфов Ванчинской вулканотектонической впадины приведены на рис. 2. Редкоземельные фазы представлены рабдофаном, бастнезитом и монацитом. Рабдофан и бастнезит слагают тонкозернистые, пористые микроагрегаты неправильной формы, а монацит присутствует в виде кристаллических микрозерен. Размеры выделений минералов РЗЭ варьируют от сотен нанометров до десятков микрометров.

 

Рис. 2. Электронные фотографии и спектры некоторых редкоземельных минералов в туфогенных породах Ванчинской впадины: a–d – рабдофан, e – монацит, f – бастнезит

 

Шандуйский палеовулкан

Формы нахождения РЗЭ в образцах туфов, отобранных в районе Шандуйского палеовулкана, показаны на рис. 3. По данным рентгеноспектрального анализа, обнаруженные редкоземельные фазы соответствуют по составу рабдофану и монациту. Рабдофан слагает тонкозернистые агрегаты, размер которых варьирует от единиц до нескольких десятков микрометров. Монацит образует единичные кристаллические микрозерна (до 10 мкм).

 

Рис. 3. Электронные фотографии и спектры некоторых редкоземельных минералов в туфогенных породах Шандуйского палеовулкана: a – монацит, b–f – рабдофан

 

Бикинская палеовулканоструктура

Морфология выделений минералов РЗЭ в образцах туфов Бикинской палеовулканоструктуры приведена на рис. 4. Редкоземельные минералы представлены рабдофаном, слагающим тонкозернистые, пористые микроагрегаты (единицы–десятки микрометров), калкинситом (?) в виде микрозерен (до 5 мкм), а также монацитом и алланитом в виде кристаллических микрозерен (до 50 мкм).

 

Рис. 4. Электронные фотографии и спектры некоторых редкоземельных минералов в туфогенных породах Бикинской палеовулканоструктуры: a – калкинсит, b–c – рабдофан, d – ксенотим, e – монацит, f – алланит

 

В изученных образцах, помимо типично магматических РЗЭ-минералов (монацит, ксенотим, алланит), обнаружено большое количество легкорастворимых гипергенных минеральных форм РЗЭ, таких как водные фосфаты (рабдофан) и карбонаты (бастнезит, калкинсит), являющихся гипергенными продуктами изменения магматических РЗЭ-минералов в туфогенных породах. Они, видимо, и определяют на изученных территориях повышенный фон концентрации РЗЭ в поверхностных и грунтовых водах, а также растительности, что установлено нашими предыдущими исследованиями [4, 11]. О высокой подвижности РЗЭ в породах Ванчинской вулканотектонической впадины также свидетельствуют аномальные содержания суммы РЗЭ в бурых углях (до 1000 г/т и более), маломощные пласты которых широко распространены здесь в вулканогенно-осадочных толщах. Накопление РЗЭ в углях происходило после захоронения в торфяниках щелочной вулканической тефры на этапе просачивания грунтовых или гидротермальных вод сквозь рыхлые вулканогенные породы с отложением РЗЭ в приграничных частях торфяных залежей, которые впоследствии были углефицированы [6].

Наблюдаемое относительное обогащение изученных образцов туфов преимущественно «легкими» редкоземельными элементами объясняется спецификой их поведения в процессах выветривания [12, 13]. В ходе данных процессов происходит вынос «тяжелых» лантаноидов, а в продуктах выветривания накапливаются элементы цериевой подгруппы в виде легкорастворимых фаз.

Выводы

Выявлено, что поедаемые дикими копытными животными туфогенные породы (кудуриты) на изученных участках активной геофагии в горах Сихотэ-Алиня представлены оглиненными в процессе аргиллизации и выветривания цеолитсодержащими туфами риолит-дацитового состава раннекайнозойского возраста. Обнаруженные как в собственно кудуритах, так и в окружающих солонцы-кудуры туфогенных породах в массовом количестве минералы РЗЭ соответствуют по составу фосфатам, силикатам и карбонатам. Установлены две генерации минералов РЗЭ: эндогенная (монацит, ксенотим и алланит) и гипергенная (рабдофан, бастнезит, и калкинсит).

Таким образом, изученные районы приурочены к ландшафтам с аномальным содержанием подвижных форм РЗЭ, источник которых – легкорастворимые гипергенные РЗЭ-минералы. Такие аномалии могут быть одной из причин активной геофагии среди животных. Основная причина геофагии, похоже, состоит в компенсации геохимически обусловленных микроэлементозов за счет регулярно-периодического потребления глинистых и глинисто-цеолитовых сорбентов, способных выводить избыток и регулировать баланс как «легких» и «тяжелых» редких земель, так и других токсичных элементов в организме млекопитающих.

Об авторах

Алексей Валерьевич Руслан

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: aleksei_ruslan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4034-2251

кандидат геолого-минералогических наук, младший научный сотрудник

Россия, Владивосток

Игорь Юрьевич Чекрыжов

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Email: chekr2004@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0319-8759

научный сотрудник

Россия, Владивосток

Александр Михайлович Паничев

Тихоокеанский институт географии ДВО РАН,

Email: sikhote@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5223-443X

доктор биологических наук, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, Владивосток

Никита Юрьевич Попов

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Email: popov_ni22@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3401-2849

младший научный сотрудник

Россия, Владивосток

Список литературы

Дополнительные файлы