GEOCHEMICAL AND STRUCTURAL TRAITS OF THE NOVOMOSKOVSKOE GYPSUM DEPOSIT: RECONSTRUCTION OF DEVELOPMENT CONDITIONS BASED ON ANALYSIS OF IMPURITY DISTRIBUTION AND ISOPACH CHARACTERISTICS
GEOCHEMICAL AND STRUCTURAL TRAITS OF THE NOVOMOSKOVSKOE GYPSUM DEPOSIT: RECONSTRUCTION OF DEVELOPMENT CONDITIONS BASED ON ANALYSIS OF IMPURITY DISTRIBUTION AND ISOPACH CHARACTERISTICS
Abstract
The article presents the results of a complex study of the geochemical and structural features of the Novomoskovskoe gypsum deposit, which is of significant industrial importance for the Russian gypsum industry. The relevance of this work is due to the growing demand for gypsum raw materials in the context of the development of the construction industry and the necessity to optimize the development of existing deposits.
The aim of the study is to reconstruct the conditions of the deposit development based on the analysis of the distribution of impurities and the thickness of the gypsum layer. The research uses data from many years of geological exploration, including the results of studies of 174 wells and 1,821 samples.
The study established that the deposit was formed in the conditions of a Famennian Age shallow sea basin. Three main facies zones were identified: the central zone with a relatively calm hydrodynamic environment (accumulation of pure gypsum), the eastern shallow-water zone (impurities of clayey material) and the western zone with a more active influx of terrigenous material.
An analysis of the distribution of the main components: SiO₂, Al₂O₃, MgO, SO₃ and CaSO₄·2H₂O was carried out, and patterns in their spatial distribution were identified. A close relationship between geochemical anomalies and the paleorelief of the basin floor was established. Criteria for facies zoning were defined, allowing the quality of raw materials to be predicted.
The practical significance of the work lies in the development of criteria for assessing the quality of gypsum and identifying promising areas for industrial development. The obtained results can be used in the search for new gypsum deposits in similar geological conditions.
1. Введение
Гипс как стратегически важный минерально-сырьевой ресурс занимает ключевое место в современной промышленности благодаря своей универсальности, экологической безопасности и низкой себестоимости добычи. Гипс — дигидрат сульфата кальция CaSO4 · 2H2O, — типичный осадочный минерал, самый распространенный кристаллогидрат из природных сульфатов, который широко используется в строительстве, цементной, фармакологической промышленности. Огнестойкость является важным преимуществом при использовании гипса в строительстве зданий, так как является противопожарным конструкционным материалом
. Рост спроса на экологичные материалы уже сегодня формирует новые вызовы: по прогнозам Ассоциации производителей гипса, к 2030 году потребление гипсокартона в России достигнет 320 млн м²/год, что требует увеличения добычи сырья на 25–30%.Россия имеет значительные объемы сырья (примерно половину мировых запасов), часть месторождений которого находится пока в неразработанном виде. Объем добычи может стимулироваться:
- внутренним потреблением, которое зависит от строительной отрасли, и которое на 99% обеспечено собственной добычей;
- внешним потреблением, которое зависит от импортно-экспортной политики.
Основным потребителем гипса является строительная отрасль. С начала пандемии в РФ увеличился запрос на строительные материалы. На протяжении последних трех лет в России наблюдается как спад, так и подъем производства гипса. В 2021 году в России было произведено 10 941,2 тыс. т гипса, что на 12,6% больше объема производства предыдущего года. Экспорт гипса из России на мировой рынок имеет потенциал к росту, при этом основными регионами экспорта выступают страны ближнего зарубежья. Преимущественные положительные моменты роста, прежде всего, связаны с более привлекательной стоимостной оценкой емкости мирового рынка гипса
.Особую остроту проблеме придаёт географическая неравномерность распределения гипсоносных бассейнов. Более 80% разведанных запасов сосредоточено в Европейской части России, где Новомосковское месторождение исторически играет роль ключевого поставщика высокосортного гипса (содержание CaSO₄·2H₂О>85%). В Тульской области, где расположен данный объект, гипсовая промышленность обеспечивает до 15% налоговых поступлений в региональный бюджет, подчеркивая её социально-экономическую значимость. Однако интенсивная разработка месторождения, ведущаяся с середины XX века, требует не только доразведки глубоких горизонтов, но и разработки новых прогнозно-поисковых критериев для выявления аналогичных объектов в пределах Тульско-Рязанского гипсоносного бассейна.
По условиям образования выделяют несколько основных типов месторождений гипса: осадочные, метасоматические и выветривания. Широкое признание объяснения происхождения осадочных месторождений получила эвапоритовая теория, согласно которой гипсоангидритовые толщи образовались в результате испарения вод внутриконтинентальных морских бассейнов, бессточных морских лагун или заливов, богатых сульфатными солями
.Новомосковское гипсовое месторождение, приуроченное к кудеяровским слоям верхнего девона, исследуется с целью реконструкции палеоусловий его формирования через интеграцию геохимических и структурных данных. Впервые проведён комплексный анализ пространственного распределения примесей (SiO₂, Al₂O₃, MgO) и нерастворимого остатка, выявивший зональность гипсообразования. Установлено, что содержания SiO₂ (>4.5%) и Al₂O₃ (до 1,5%) в западной части месторождения маркируют прибрежную зону палеобассейна с активным привносом обломочного материала, тогда как в восточной части прослеживается зона мелководья — гипс с примесью глинистого материала (SiO₂ до 6%, Al₂O₃ до 4,5%), мощности снижаются до 10–15 м, что связано с участками размыва упинского, малевского и верхней части озерско-хованского горизонта
. Минимальные значения нерастворимого остатка (менее 2%) в центральном секторе соответствуют зоне накопления химически чистого гипса. Карты изопахит позволили уточнить стратиграфическую модель: максимальная мощность гипса (23–28 м) приурочена к синклинальным прогибам Урванского участка. Выявлена корреляция между геохимическими аномалиями и палеорельефом: например, утонение пластов на востоке совпадает с ростом SiO₂ и связано с поднятием кристаллического фундамента.Инновационным аспектом работы является интеграция традиционных методов геологоразведки с геохимическим моделированием, что позволяет реконструировать палеообстановки формирования гипсоносных толщ и прогнозировать зоны с максимальной концентрацией сырья. Полученные данные особенно актуальны в свете ужесточения экологических стандартов: локализация залежей с минимальным содержанием токсичных примесей (например, тяжёлых металлов в глинистых прослоях) напрямую влияет на рентабельность и безопасность добычи.
Научная новизна работы заключается в установлении критериев фациальной зональности и доказательстве тектонического контроля накопления гипса, что расширяет понимание седиментации верхнедевонских эвапоритов Восточно-Европейской платформы. Практическая значимость результатов связана с оптимизацией разведки: выделение зон с минимальным нерастворимым остатком позволяет прогнозировать участки высококачественного гипса, а модель тектонических прогибов — локализовать перспективные площади.
Таким образом, изучение геологических факторов формирования Новомосковского месторождения не только способствует решению фундаментальных вопросов литогенеза эвапоритов, но и создаёт научную основу для устойчивого развития гипсовой отрасли в условиях исчерпания легкодоступных ресурсов.
2. Геологическая характеристика месторождения
Новомосковское гипсовое месторождение, расположенное в Тульской области, является уникальным объектом для изучения эвапоритовых формаций Восточно-Европейской платформы. Приуроченное к озерскому горизонту верхнефаменского яруса девонской системы, месторождение сформировалось в условиях мелководного эпиконтинентального бассейна, занимавшего обширные территории современного Подмосковья в позднедевонскую эпоху. В строении района Новомосковского месторождения гипса принимают участие породы девонского, каменноугольного, мезозойского и четвертичного возраста, являющиеся частью осадочного чехла Восточно-Европейской платформы . Палеогеографические реконструкции указывают на расположение бассейна в аридной климатической зоне, где интенсивное испарение способствовало накоплению гипса мощностью до 28 м. Стратиграфический разрез месторождения демонстрирует выраженную цикличность, отражающую смену фаций от открыто-морских до лагунных, что подтверждается чередованием гипса, доломитов и глинистых прослоев (рис. 1).
Рисунок 1 - Геологический разрез района Новомосковского месторождения через скиповой ствол:
1 – суглинки, 2 – пески мелкозернистые, 3 – глины плотные, 4 – известняки трещиноватые, 5 – промышленная часть гипсовой залежи, 6 – доломиты с прослоями гипса, 7 – уровень подземных вод, 8 – взаимосвязь водоносных горизонтов, I-IX – номера водоносных горизонтов
Примечание: на основе источника [1, С. 5]
Верхнедевонские отложения представлены франским и фаменским ярусами. Отложения франского яруса согласно залегают на подстилающих отложениях. По составу песчано-глинистые, в верхних частях глинисто-карбонатные. Нижнее-среднефаменские отложения представлены чередованием в основном карбонатных пород — известняки, реже доломиты, с преобладанием первых в нижней части (табл. 1). Продуктивная гипсоносная толща приурочена к отложениям средней части озерского горизонта фаменского яруса (D3oz2), мощностью 9–28 м. Сложена ритмичными пачками гипса (60–70%), доломита (15–20%) и глин (10–15%). Среди гипсов доминируют три генетических типа: а) селенит (15% разреза) — волокнистый гипс с параллельно-шестоватой текстурой, формировавшийся в глубоководных зонах бассейна (глубина >15 м) . Линзовидные тела селенита мощностью до 1,5 м содержат включения пирита и органического вещества, что указывает на восстановительные условия седиментации ; б) зернистый гипс (60%) — массивные пласты с включениями доломита (3–8%) и кварца (1–2%). Гранулометрический анализ показал преобладание фракции 0.5–3 мм (75% объёма), а пористость достигает 12%, что связано с периодическим взмучиванием осадка в прибрежных зонах. Наличие косой слоистости и градационной сортировки свидетельствует о влиянии придонных течений; в) массивный гипс (25%) — плотные прослои с содержанием CaSO₄·2H₂O до 92%, образованные в гиперсалинных лагунах. В ядрах гипсовых розеток обнаружены реликты ангидрита, что подтверждает их вторичное происхождение в результате гидратации на ранних стадиях диагенеза.
Таблица 1 - Сводная стратиграфическая колонка района Новомосковского месторождения гипса
Примечание: на основе источника [1, С. 6]
Месторождение расположено в пределах Новомосковского поднятия – структуры III порядка, осложняющей южный склон Московской синеклизы. Анализ карт изопахит, построенных по данным 174 скважин с применением алгоритма кригинга (программа Surfer), выявил отсутствие разрывных нарушений, что подтверждает первично-седиментационную природу аномалий мощности. Гипсоносная толща залегает моноклинально с падением пластов 2–3° на северо-запад, следуя общему наклону кристаллического фундамента
. Максимальная мощность (28 м) приурочена к Урванскому тектоническому прогибу, сформированному за счёт погружения фундамента на 15–20 м в позднедевонское время . На восточной периферии пласты утоняются до 9 м, что связано с поднятием фундамента, ограничивавшим аккумуляцию гипса. Субширотное простирание (азимут 110–120°) контролировалось палеорельефом дна бассейна, где подводные возвышенности разделяли зоны седиментации.3. Методы и принципы исследования
Для реконструкции условий формирования Новомосковского гипсового месторождения использован комплекс методов, объединяющий геохимический, структурный и седиментологический подходы. Основой работы послужили данные, полученные в ходе многолетних геологоразведочных работ, проведенных под руководством В.П. Петрова (Главгеология СССР); И.С. Козлова; НИИ «Гидроспецгеология»; ООО «КНАУФ ГИПС НОВОМОСКОВСК» в период с 1935 по 2020 гг. ,
. В анализ включены результаты изучения 174 скважин, пробуренных на площади месторождения с шагом 200–500 м и 1821 пробы, отобранной по продуктивной гипсоносной толще в разные годы исследований. Методология объединила ретроспективный анализ архивных материалов с применением цифровых технологий обработки геопространственных данных.В ходе проведения исследования использовались архивные материалы: отчёты первичной разведки 1935–1954 гг.; данные 797 проб по 52 скважинам с определением содержаний CaSO₄·2H₂O, SiO₂, MgO, установлены первые зависимости чистоты гипса от глубины ; результаты детальной разведки Любовского участка и доразведки Урванского участка (1958–1968 гг.); данные 443 проб по 58 скважинам с рентгенофазовым анализом, выявившим доломит в гипсовом цементе (MgO >1,5%) ; результаты доразведки Новомосковского месторождения (1981–1984 гг.); данные 536 проб по 64 скважинам, подтвердившие аномалии мощности гипса (до 28 м) и связь с тектоническими прогибами.
Были применены картографические методы, включающие в себя построение карт изолиний содержаний SiO₂, Al₂О₃, MgO, SO₃ и CaSO₄·2H₂O (выполнено в Surfer 23 с использованием алгоритмов кригинга).
Для визуализации информации были построены карты изопахит гипсового пласта с выделением зон максимальной мощности (>20 м) в синклинальных складках и карты содержаний элементов с ранжированием по пороговым значениям: SiO₂ >4,5% (терригенный привнос), MgO >1,5% (гиперсалинные условия), SO₃ <42% (ангидритизация).
Геохимический анализ стал ключевым инструментом для расшифровки условий формирования Новомосковского гипсового месторождения. Комплекс элементов (SiO₂, Al₂О₃, MgO, SO₃ и CaSO₄·2H₂O) был выбран исходя из их диагностической роли в идентификации фациальных зон, солёности палеобассейна и постседиментационных преобразований.
Терригенный привнос и палеогеография. Содержания SiO₂ и Al₂О₃, определенные методом рентгенофлуоресцентного анализа, служат индикаторами близости к палеобереговой линии. Аномалии Al₂O коррелируют с глинистыми прослоями, фиксирующими периоды снижения солёности бассейна
.Гиперсалинные условия и минеральный состав. Повышенные содержания MgO (>1,5%), выявленные рентгенофазовым анализом, прямо связаны с доломитовыми конкрециями CaMg(CO₃)₂ в гипсовом цементе.
Реконструкция палеорельефа производилась путем построения карты изопахит (рис. 2) и структурных разрезов (рис. 3, 4) с использованием глубин залегания продуктивной гипсоносной толщи по скважинам.
Рисунок 2 - Карта изопахит продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год
Максимальная мощность (23–28 м) приурочена к центральной и западной частям месторождения. Промежуточная мощность (20 м) отмечается в переходной зоне. Минимальная мощность (8–10 м) характерна для восточной части.
Утонение промышленной толщи гипса может быть обусловлено следующими причинами. К началу осадконакопления гипса наблюдалась тенденция к поднятию. Утонения промышленной толщи гипса корреспондируются с участками размыва упинского, малевского и верхней части озерско-хованского горизонта. Развитие доломитов приурочено к активному действию подземных вод. Наличие в стратиграфическом горизонте известняков указывает на возможность их доломитизации. В целом, участки утонения гипсовой толщи характеризуются сложной фациальной обстановкой.
Рисунок 3 - Разрез по линии А-А с отображением мощности продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год
Рисунок 4 - Разрез по линии Б-Б. С отображением мощности продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год
Рисунок 5 - Разрез по линии Б-Б. С отображением мощности продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год
4. Результаты исследования
Рисунок 6 - Карта средних содержаний SiO2 в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год; масштаб – 1:100 000
Зоны содержаний SiO₂>4,5% (рис. 6), локализованные в западной части месторождения, соответствуют терригенному привносу обломочного материала с бортов палеобассейна или из палеоречных систем. Также возможна близость древних дельт или зон размыва.
Зоны содержаний SiO₂<4,5% (рис. 6), локализованные в центральной части месторождения, могут указывать на смешение фаций — гипс накапливался в условиях, где хемогенное осаждение сочеталось с привносом песка или глин.
Зоны содержаний SiO₂>5,5% (рис. 6), локализованные в восточной части месторождения, могут указывать на зону мелководья — гипс с примесью глинистого материала.
Рисунок 7 - Карта средних содержаний Al2O3 в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год; масштаб – 1:100 000
Зоны содержаний Al₂O₃>3,5% (рис. 7), локализованные в восточной части также свидетельствует о зоне мелководья, обогащенной глинистым материалом.
Распределение аномалий SiO₂ (рис. 6) и Al₂O₃ (рис. 7) демонстрирует чёткую пространственную корреляцию. Повышенные содержания обоих элементов в восточной части месторождения согласуются с моделью терригенного привноса, где глинистый материал поступал как с бортов палеобассейна, так и из зон размыва. Гипсовая формация западной части формировалась в условиях прибрежной лагуны с активным привносом песка. Низкое содержание глин (Al₂O₃) подтверждает высокую энергию среды, характерную для зон волновой деятельности.
Это подтверждает, что оба параметра являются взаимодополняющими индикаторами фациальных условий и динамики палеобассейна.
Рисунок 8 - Карта средних содержаний Ca2SO4+2H2O в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год; масштаб – 1:100 000
Напротив, в восточных и западных периферийных зонах наблюдается обратная картина: снижение содержаний гипса до 70-65%. На востоке, в области мелководья, это связано с примесью глинистого материала (SiO₂ до 6%, Al₂O₃ до 4%). На западе, в прибрежных зонах палеобассейна, снижение содержание гипса обусловлено активным привносом обломочного материала и диагенетическими процессами — замещением гипса доломитом (CaMg(CO₃)₂).
Рисунок 9 - Карта средних содержаний MgO в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
Примечание: разработан автором, 2025 год; масштаб – 1:100 000
В центральной части накопление гипса происходило в спокойной гидродинамической обстановке, подтверждаемой сохранностью игольчатых гипсовых кристаллов с параллельной текстурой и отсутствием волновой ряби, сочетаясь с периодическими изменениями солёности воды.
В восточной части преобладает мелководье, гипс с примесью глинистого материала (SiO₂ до 6%, Al₂O₃ до 4%). Мощности снижаются до 10–15 м, что связано с участками размыва упинского, малевского и верхней части озерско-хованского горизонта.
5. Обсуждение
Фациальная модель палеобассейна. Реконструкция позволила выделить три фациальные зоны. Центральная часть, с накоплением гипса в спокойной гидродинамической обстановке, состоит из чистого гипса (CaSO₄·2H₂O >89-90%) мощностью до 28 м, минимальное терригенное влияние (SiO₂ <4,5%).
Восточные борта (мелководье) им соответствует гипс с примесью глинистого материала (SiO₂ до 6%, Al₂O₃ до 4%), а мощности снижаются до 10–15 м, что связано с поднятием фундамента.
Западная периферия представляют собой прибрежную зону палеобассейна с доломит-гипсовыми ассоциациями (MgO >1,5%, CaMg(CO₃)₂ до 12%) и активным привносом обломочного материала, а испарительная седиментация проходила в условиях ограниченного водообмена (солёность 250-300‰),
Геохимические данные подтвердили, что формирование месторождения контролировалось седиментационными процессами (испарение, терригенный привнос). Выявленные закономерности позволяют прогнозировать зоны «чистого» гипса для промышленной отработки.
Присутствие глинистного материала (SiO₂ до 6%, Al₂O₃ до 4% в восточных блоках) указывает на близость суши. Мелководье подтверждается также микропалеонтологическими данными: редкие включения прибрежных остракод в глинах
.Чередование гипса и глин в разрезах отражает колебания уровня моря. Регрессивные фазы (Al₂O₃>3%) сопровождались накоплением глинистого материала, тогда в трансгрессивные периоды формировались чистые гипсовые пласты (CaSO₄·2H₂O >89%).
6. Заключение
Новомосковское гипсовое месторождение сформировалось в фаменский период в условиях мелководного морского бассейна, где центральные зоны аккумулировали чистый гипс (CaSO₄·2H₂O >89%), а периферийные западные участки представляли прибрежную зону палеобассейна с активным привносом терригенного материала и солёностью 250–300‰. Ключевую роль в распределении вещества сыграл палеорельеф: восточные борта бассейна, сложенные живетскими песчаниками, поставляли терригенный материал (SiO₂ >4.5%, Al₂O₃ >3%), формируя глинистые прослои в периоды регрессий. Напротив, в западной части накапливался гипс с доломитовыми конкрециями (MgO >1,5%), что подтверждается кластерами геохимических аномалий и коэффициентом MgO/CaO >0.03. Палеорельеф предопределил гидродинамический режим бассейна, который, в свою очередь, контролировал распределение магния в осадочных отложениях, создавая условия для формирования характерной зональности в распределении гипса и доломитовых конкреций.
Практически значимые залежи месторождения сосредоточены в центральных зонах с минимальным нерастворимым остатком (<8%), тогда как залежи в периферийных областях требуют технологий обогащения для удаления доломитовых примесей.
Предложенная модель, объединяющая геохимические, структурные и седиментологические данные, подчёркивает уникальность Новомосковского месторождения. Здесь доминирует лагунный тип седиментации с цикличностью, отражающей климатические колебания (аридные/гумидные фазы). Выявленные закономерности, могут служить маркерами для поиска аналогичных объектов в регионе, оптимизируя ресурсную базу гипса.
Таким образом, исследование демонстрирует, что промышленная ценность месторождения определяется сложным взаимодействием седиментационных процессов, палеорельефа, что открывает новые перспективы для прогнозирования и разработки гипсоносных бассейнов.