ЭОЛОВЫЕ ПЕСКИ СЕВЕРНОЙ АФРИКИ И ЮГО-ЗАПАДА АРАВИЙСКОГО ПОЛУОСТРОВА (ОАЭ)

Фактический материал

В качестве объекта исследований рассматриваются эоловые пески Сахары: Нубийской пустыни (Египет), Большой Западный Эрг (Алжир) и пустыни Руб-эль-Хали (ОАЭ) (рис. 1). Образцы были отобраны авторами, за исключением образца из пустыни Большой Западный Эрг, который любезно предоставил А.В. Сурков.

Методики исследований

При изучении песков использовался гранулометрический анализ, являющийся частью грануломинералогического анализа, разработанного А.В. Сурковым [6].

Гранулометрический анализ заключается в выделении из породы песчаной компоненты (0,05—2,5 мм) с последующим измерением мономинеральных фракций минералов. Необходимая навеска для проведения анализа составляет 50—70 г. Измерения проводятся по трем осям: ось А — длина зерна, ось В — ширина зерна, ось С — толщина зерна в отраженном свете под бинокуляром. Точность измерений — до ±0,01 мм. Необходимо все измерения вести при одном и том же увеличении и соблюдать правило: А≥В≥С. По результатам измерений строятся гистограммы распределения минералов по размерам и частотам встречаемости.

Каждый генетический тип отложений характеризуется определенным спектром размеров и типом гистограммы [3]. Спектр размеров — это диапазон значений размеров обломочных частиц от минимального до максимального по соответствующей оси. Он может быть непрерывным в интервале спектра и прерывистым (размер перерыва больше 0,02 мм). Ширина спектра размеров и интервалы непрерывности характеризуют степень сортировки обломочных частиц.

В отличие от общепринятой методики гранулометрического анализа предлагаемая методика позволяет: 1 — трехмерное тело (зерно, минерал) характеризовать тремя параметрами (длина, ширина, толщина частицы), а не одним (средний диаметр частиц), как при проведении стандартного гранулометрического анализа; 2 — анализировать ассоциацию минералов, их дифференциацию по размерам и плотности, что при стандартном минералогическом анализе сделать невозможно, так как каждый минеральный вид изучается в отдельности.

При рентгеноструктурном анализе регистрация дифрактограмм осуществлялась на дифрактометре ARL X’tra (Швейцария). Образец для исследования измельчался в агатовой ступке, затем добавлялся этиловый спирт. Полученная масса наносилась на кремниевую подложку.

Для качественного фазового анализа использовалась база данных ICDD PDF-2. Анализ проводился в ручном режиме и/или с использованием ПО Oxford Crystallographica. Количественный рентгенофазовый анализ по методу Ритвельда проводился с использованием ПО Siroquant Sietronics Pty Ltd.

Результаты исследований

Пустыня Руб-эль-Хали. Песчаная пустыня Руб-эль-Хали — одна из крупнейших равнинных песчаных пустынь мира площадью свыше 650 000 км² [1, 2]. Осадки в этой пустыне могут не выпадать более пяти лет, в среднем менее 35 мм в год, температура летом до +52 °С, а зимой выше +30 °С.

Пустыня занимает обширную синеклизу Руб-эль-Хали на юге Аравийского полуострова между Среднеаравийским плато и поясом краевых гор на юге Аравии и горной цепью Эль-Асир. Максимальная высота 500 м над уровнем моря, к востоку постепенно снижается до 100 м и переходит в обширные приморские солончаки. Дюны песка могут достигать высоты 250 м.

Песчаные отложения пустыни перекрывают коренные эоценовые и меловые породы, часто сочетаются с участками галечниковых отложений (регами) [1]. Важным элементом рельефа являются сухие русла (вади), в которых формируется, как правило, подрусловой водоток, имеющий большое значение для водоснабжения.

Проба песков отобрана на территории Дубай (ОАЭ), в 50 км от Персидского залива. Пески темно-бежевого цвета. По результатам рентгенофазового анализа пески (рис. 2а) состоят из кварца (43,1%), кальцита (42,3%), альбита (7,8%), анортита (2,2%), доломита (1,9%), ортоклаза (1,7%), биотита (0,7%), анкерита (0,4%), единичных амфиболов. Кальцит, доломит и анкерит являются гипергенными. Магнитная фракция составляет 1%, электромагнитная — 1%, немагнитная — 98%. При визуальном изучении в магнитной и электромагнитной фракциях устанавливается магнетит, ильменит и лейкоксен (по ильмениту).

Кварц желтого (разные оттенки) и рыжего цветов, преимущественно с матовой поверхностью, реже бесцветный прозрачный с блестящей и матовой поверхностью. Размер зерен до 0,6— 0,7 мм, максимум 0,8 мм. По степени окатанности кварц имеет совершенно окатанную и окатанную, редко угловато-окатанную форму, неокатанную, что характерно для зерен размером меньше 0,05 мм. Форма выделения преимущественно уплощенная, сферическая, реже неправильно изометричная.

Разнообразие оттенков красного цвета связано с пленками окиси железа на поверхности многих зерен. Это явление известно как пустынный загар. При микроскопическом изучении в отраженном свете (рис. 2б) видно, что неровности в поверхности зерен заполнены окислами железа, что хорошо заметно на прозрачных разностях. На снимках, выполненных под электронным микроскопом (рис. 2в), видно, что часть пустот на поверхности заполнены окислами железа (светлые яркие точки), а часть остается пустыми. Также встречаются зерна, которые полностью покрыты железистой пленкой. Пустынный загар характерен для обломков размером больше 0,1 мм.

Интенсивность и сохранение пустынного загара изучали в разные годы советские [1,5] и зарубежные исследователи [8—12]. Покраснение сопровождает старение первично осажденного оксида железа, т.е. переход лимонита, гетита в гематит. Наличие неустойчивых железосодержащих минералов в перевеваемых отложениях, которые при взаимодействии с водой (роса, дожди и т.п.) разлагаются и освобождают железо, осаждаемое в виде лимонита на поверхности зерен или отдельных агрегатов, способствует покраснению. В аридных зонах мало органического вещества, и его не хватает для редукции окислов железа. Лимонит будет лучше сохраняться в углублениях на поверхности зерен, где защищен от истирания, поэтому более красными будут зерна мелкие, так как они медленнее окатываются, чем крупные, а значит, лучше сохраняют первичную поверхность. Также на скорость покраснения влияет наличие воды, способствующее химическому гидролизу железосодержащих минералов; формированию глинистой пленки на зернах за счет смачиваемости поверхности с последующим прилипанием глинистого материала. На все процессы требуется время, которое также является важным фактором, влияющим на покраснение.

Отличительной особенностью песков этой пробы является большое содержание кальцита. Почти все зерна размером 0,25—0,80 мм имеют матовую поверхность и хорошо окатанны (рис. 2г). При рассмотрении поверхности на ультрауровне, после притравливания образцов соляной кислотой, выяснилось, что многие зерна одеты в кальцитовую «рубашку» (пленку) (рис. 2д). После удаления кальцита оказалось, что часть зерен также покрыта железистой пленкой (рис. 2е).

Содержание кальцита более 10% и засолонение карбонатом кальция, гипсом, является характернейшим признаком аридных терригенных отложений [5]. Возникает в зоне, отвечающей обычно зоне капиллярного поднятия грунтовых вод. Под влиянием инсоляции и высокой температуры вода с поверхности водного зеркала постоянно испаряется, что ведет к осолонению вод с последующей садкой из них минералов. Возможно, это является и результатом деятельности кальци-микробов.

При применении гранулометрического анализа было измерено 152 зерна кварца (456 измерений), построены графики (гистограммы) зависимости распределения размеров частиц от частоты встречаемости (рис. 3а). Спектр размеров по оси А — 0,12—0,80 мм, по оси В — 0,07—0,61 мм, по оси С — 0,05—0,41 мм. Спектр размеров прерывистый в правой части гистограмм по осям А и В, по оси С непрерывный, с единственным отскоком. Максимумы частот встречаемости в интервалах непрерывности наиболее выражены по оси С, по другим видно обособление нескольких интервалов; максимумы достаточно близко расположены друг к другу. Такое распределение внутри спектров характерно для аллювиальных отложений. Сближенное расположение максимумов частот встречаемости свидетельствует о совершенной сортировке зерен. По оси С спектр размеров совпадает с интервалом непрерывности, частоты встречаемости распределяются закономерно — плавно возрастая и убывая, что характерно для эоловых отложений. Таким образом, анализ гистограмм, формы зерен позволяет сделать вывод о том, что эти эоловые отложения первоначально были сформированы русловыми потоками и впоследствии перевеяны.

Нубийская пустыня. Пустыня расположена в северо-восточной части Северной Африки между средним течением Нила и Красным морем [1]. Атмосферные осадки редки и только в зимний период в виде кратковременных ливней, образующих мощные селевые потоки. Температура в летнее время днем +50 °С, а ночью +30 °С. В зимнее время температура от +35 °С днем до 0 °С ночью. Характерны сильные ветры, в основном северо-западного направления.

Пустыня расположена на Нубийско-Аравийском щите, ступенчато понижающемся с востока на запад от 350 до 100 м, с многочисленными горами и массивами. На востоке обнажаются древние кристаллические породы верхнего протерозоя, в основном формации Митик (кварц-мусковит-гранатовые гнейсы, амфиболиты и т.п.) и сохранившиеся местами континентальные меловые отложения (нубийские песчаники); на западе перекрыты дюнными грядами. Встречаются участки каменистых и песчано-галечных гамад (каменистые пустыни). Плато густо расчленено вади (сухие русла), отходящими системно субширотно от водораздельного хребта, разграничивающего Красноморский и Нильский водосборные бассейны, выполненные неоген-четвертичными обломочными отложениями и четвертичными эоловыми песками.

Песок для пробы был отобран в центральной части вади, в 130 км от Красного моря и в 20 км от долины р. Нил. Макроскопически пески грязно-розового цвета. По результатам рентгенофазового анализа пески (рис. 4а, б) состоят из кварца (55,3%), альбита (25,2%), санидина (5,0%), ортоклаза (4,6%), анортита (2,8%), кальцита (4,1%), биотита (1,1%), хлорита (0,9%), каолинита (0,9%), единичных амфиболов, гранатов. Кальцит является гипергенным, встречается в виде пластиночек. Каолинит аллохтонный компонент, унаследован от коренных пород. Магнитная фракция составляет 1,5%, электромагнитная — 1,5%, немагнитная — 97%. В магнитной и электромагнитной фракциях устанавливаются магнетит, ильменит и лейкоксен, развивающийся по ильмениту (рис. 4в). Ильменит и лейкоксен имеют окатанную форму. Для магнетита характерны дипирамидальные кристаллы.

Кварц преимущественно светло-желтый, бесцветный, прозрачный, блестящий, редко матовый. Размер зерен до 0,30 мм, максимум до 0,42 мм. По степени окатанности зерна кварца преимущественно угловато-окатанные, неокатанные, реже окатанные. Форма выделения преимущественно уплощенная, треугольная, неправильно изометричная, овальная, реже изометричная.

Окись железа в этих песках встречается в следующих разновидностях: в виде железистых пленок (рис. 4г); неравномерных скоплений окиси железа со сфероагрегатным строением в пустотах на поверхности зерен (рис. 4д), в связи с чем они становятся пятнистыми; в виде пластинок, сложенных окислами железа, выполняющими трещины в зернах кварца. Часть углублений остается не заполненными.

При применении гранулометрического анализа было измерено 1 50 зерен кварца (450 измерений), построены графики (гистограммы) зависимости распределения размеров частиц от частоты встречаемости (рис. 3б). Спектр размеров по оси А — 0,15—0,42 мм, по оси В — 0,12—0,37 мм, по оси С — 0,07—0,25 мм. Спектр размеров непрерывен, совпадает с интервалом непрерывности, но наблюдаются единичные отскоки по всем трем осям. Частоты встречаемости сближены, распределяются закономерно — плавно возрастая и убывая, что связано с сортировкой материала по аэродинамическим характеристикам. Отскоки и характер распределения в правой части гистограммы характерны для русловых отложений, однако в целом характер распределения свидетельствует о формировании ветровой деятельностью. Материнскими породами являются нубийские песчаники, залегающие в непосредственной близости, которые являются древними эоловыми отложениями [1 ], что подтверждается нашими измерениями. Анализ построенной гистограммы распределения зерен кварца, форма зерен позволяют сделать вывод о том, что это эоловые отложения, но с накладываемой изредка русловой деятельностью.

Пустыня Большой Западный Эрг. К северу от нагорья Ахаггара до горного массива Атлас, на северо-западе Алжирской Сахары расположена песчаная пустыня (эрги) Большой Западный Эрг, которая на юге через плато Тадемаит граничит с пустыней Большой Восточный Эрг, самой большой песчаной поверхностью в мире. Пески Большого Западного Эрга, или Гурара, образованы за счет разрушения галечной пустыни (реги) Саура, существовавшей в начале четвертичного периода [1, 7]. Цепи дюн имеют дугообразное расположение и показывают направление господствующих ветров.

Образцы песков были отобраны в районе г. Бешар с поверхности бархана в 385 км от Средиземного моря. Макроскопически бежевого цвета. По результатам рентгенофазового анализа пески (рис. 5) состоят из кварца (79,1%), альбита (9,2%), гипса (5,2%), кальцита (3,4%), иллита (1,8%), рутила (0,7%), анкерита (0,6%). Гипс, кальцит и анкерит являются гипергенными. Кальцит встречается в виде пластиночек. Магнитная фракция составляет 0,5%, электромагнитная — 0,5%, немагнитная — 99%. В магнитной и электромагнитной фракциях устанавливаются ильменит и лейкоксен (по ильмениту) (рис. 5б), единичный магнетит. Ильменит и лейкоксен преимущественно полуокатанной и окатанной формы.

Кварц преимущественно светло-желтый, прозрачный, бесцветный, блестящий, редко матовый. Размер зерен меньше 0,25 мм, единичные до 0,4 мм. По степени окатанности кварц преимущественно полуокатанной, угловато-окатанной, реже окатанной формы. Форма выделения уплощенная, треугольная, изометричная, реже овальная.

В песке встречается лимонит со сфероагрегатным строением (рис. 5в), у которого неровности на поверхности заполняются карбонатными или сульфатными минералами. Преимущественно окислы железа встречаются в виде пленок (рис. 5г, светлое) на поверхности зерен, реже заполняя пустоты.

При применении гранулометрического анализа было измерено 156 зерен кварца (468 измерений), построены графики (гистограммы) зависимости распределения размеров частиц от частоты встречаемости (рис. 3в). Спектр размеров по оси А — 0,1—0,44 мм, по оси В — 0,08—0,32 мм, по оси С — 0,01—0,21 мм. Спектр размеров непрерывен. Частоты встречаемости сближены, распределяются закономерно — плавно возрастая и убывая, что связано с сортировкой материала по аэродинамическим характеристикам. Анализ построенной гистограммы распределения зерен кварца, их форма позволяют сделать вывод о том, что песок в данной пробе характеризует ветровую деятельность.

Выводы

Изученные образцы показывают, что эоловые пески разных пустынь различаются по цвету, по степени окатанности и форме зерен, при этом обладают и схожестью некоторыми параметрами.

Цвет в изученных образцах зависит от двух факторов: 1 — от количества окислов железа; 2 — от количества полевых шпатов красных оттенков. Чем больше этих компонентов, тем интенсивнее и темнее окраска.

Эоловые пески, сформированные исключительно за счет ветровой деятельности, преимущественно состоят из угловато-окатанных, неокатанных, в меньшей степени полуокатанных и окатанных зерен. Хорошо окатанные зерна имеют унаследованный характер.

Во всех образцах зерна кварца преимущественно блестящие, за исключением пустыни Руб-эль-Хали, где преобладают матовые зерна. Матовость в изученном образце, как показали исследования, связана с наличием кальцитовой пленки на поверхности зерен (рис. 2г, д), а не с микротрещиноватостью зерен как общепринятым признаком ветровой деятельности.

Пустынный загар присутствует во всех образцах. Он представляет собой заполнение неровностей на поверхности зерен окислами железа, такими как лимонит, гетит и гематит.

Наличие пустынного загара зависит от количества неустойчивых железосодержащих минералов и свободных окислов железа в перевеваемых отложениях, типа и количества глинистых минералов, количества воды, размера и формы зерен, времени транспортировки.

Большинство пустынь мира образовалось в пределах древнеаллювиальных речных, дельтовых и озерных долин [1, 4]. Диагностика генетических типов образцов песка с помощью методики гранулометрического анализа показала, что условия формирования различны и не всегда можно установить связь с материнской породой. Распределение зерен кварца в песках пустыни Большой Западный Эрг характерно для ветровых отложений, без возможности установления генезиса пород, которые перевеваются. В образце из пустыни Руб-эль-Хали распределение зерен позволяет это сделать, так как сохранилась связь с подстилающими древними аллювиальными отложениями, что хорошо видно на гистограмме, хотя оба образца (из Большого Западного Эрга и Руб-эль-Хали) взяты с верхушки бархана. Образец из Нубийской пустыни был взят из центральной части вади — сухого русла реки, в бортах долины которой обнажаются древние эоловые отложения. Распределение зерен кварца в современных отложениях совпадает по характеру с распределением в древних перевеваемых эоловых породах, что подтверждает связь с материнской породой, но и в то же время видно наложение деятельности временных водных потоков.