1. Введение

Несколько десятков миллионов лет назад на территории, занимаемой сейчас Краснодарским краем, Карачаево-Черкессией, Кабардино-Балкарией и другими республиками Северного Кавказа, раскинул свои воды Паратетис — внутриконтинентальный океан, протянувшийся от Альп до Урала и даже дальше. Этот беспокойный океан постоянно менял свою форму, размер и даже соленость вод. Глубина Паратетиса была весьма незначительной для морского бассейна таких размеров, и по некоторым подсчетам не превышала 800 м, а в среднем колебалась от 100 до 400 м [4].

В тектоническом развитии Кавказа выделяют этапы: догерцинский, герцинский, мезозойский и альпийский. В догерцинский этап на Кавказе господствовал геосинклинальный режим, территория подвергалась складкообразованию, что привело к минерализации Большого Кавказа [5]. 

В верхнем мелу, в фазу максимальной трансгрессии, море затопило всю территорию Кавказа, включая Главный хребет. В конце мела тектонические движения привели к поднятию осевой зоны. Верхнемеловая трансгрессия была последней, охватившей почти весь Кавказ.

К концу неогена рельеф Кавказа подвергался сильным эрозионным процессам. В результате получили широкое распространение формы зрелого рельефа — поверхности выравнивания, обширные долины с ровными днищами, куэстовые формы.

В этих непростых географических условиях миллионы лет формировалось уникальное морское сообщество.

Известно, что уже много лет девонские отложения Кавказа и Закавказья, характеризующиеся богатой и разнообразной ассоциацией ископаемых остатков, привлекают внимание не только палеонтологов, но и физиков, химиков со всего мира.

Детальное изучение имеющейся коллекции белемнитов (аммонитов) на территории Кабардино-Балкарской республики (КБР), позволило познакомиться с еще одним аспектом их комплексной характеристики, т.е. минералогические особенности данного материала.

Чтобы лучше понять, с чем имеют дело сегодняшние палеонтологи, изучающие флору и фауну далекого прошлого, нужно иметь в виду, что окаменелости, а в нашем случае, окаменелость белемнита (аммонита), образуются при уникальных природных условиях, и основным компонентом в них является кальцит.

Кальцит (CaCO3) является одним из самых распространенных минералов Крыма, он служит породообразующей основой известняков и мергелей. Встречается в виде жил и гнезд в известняках и изверженных породах, в песчано-сланцевой толще и в конгломератах. Кальцит является основой карстовых отложений в пещерах, образует пористые туфовые массы у выходов на поверхность источников, заполняет пустоты и трещины [4], [7], [8].

Кристаллы кальцита формируются в процессе цементации, и могут быть приурочены как к поздним стадиям диагенеза, так и к эпигенезу [1], [6]. Некоторые животные, такие как трилобиты и аммониты, окаменевали в огромных количествах, потому что имели твердые раковины и панцирь и обитатели на морском дне [9], [10].

Во время процесса, известного под названием диагенез, содержащиеся в оболочке минеральные вещества подвергаются вымыванию и замене их другими минеральными веществами. Над окаменелостью возникают новые отложения, камень постепенно разрушается под действием ветра и ливней, отчего окаменевшие остатки животного «выходят» на поверхность.

Более ранний кальцит образует «минеральные ядра», а поздний кальцит формирует многочисленные разноориентированные прожилки, которые секут как раковины, так и «минеральные ядра».

Кальцит обычно является бесцветным или белым. Изоморфными (Mg, Fe, Mn, Zn, и др.) и механическими примесями он может быть окрашен в различные оттенки жёлтого, желтовато–белого, красного, бурого, серого, чёрного и других цветов [2].

Причиной написания данной научно-исследовательской работы послужила находка окаменелости (обломка), студентом Абреговым А.Х. Кабардино-Балкарского государственного университета (КБГУ) института физики и математики. Обломок был найден на территории КБР в урочище Джилы-Су, расположенном в верховье по правую сторону берега реки Малка на расстоянии примерно 80 км от Кисловодска и в шести километрах от горы Эльбрус. Первое (визуальное) предположение было, что это кальцит (рис. 1). В связи с этим, целью данной работы было определение элементного состава кальцита, найденного на территории Джилы-Су.

2. Методы и принципы исследования

Исследованный нами материал был извлечен физико-механически из обломка карбонатной секреции, сложенной агрегатом секториально-шестоватого желтоватого кальцита. Характерными диагностическими признаками их внутреннего строения являются:

1) параллельно-волокнистая структура;

2) закономерная кристаллографическая ориентировка волокон;

3) наличие срединной просечки, разделяющей их на слои;

4) наличие внутренних включений вмещающих пород. 

Для проведения исследований нами были взяты образцы из разных слоев обломка (рис. 2). Получилось шесть образцов. 

В ходе экспериментального исследования использовались химический, рентгенофазовый, рентгенофлуоресцентный методы и сканирующий электронный микроскоп.

Исследование элементного состава образцов проводилось методом рентгенофлуоресцентного элементного анализа на экспериментальном оборудовании «Спектроскан МАКС-GV», предназначенном для определения содержания химических элементов в диапазоне от кальция до урана в различных веществах, находящихся в твердом, жидком или порошкообразном состоянии.

Компактный настольный порошковый дифрактометр D2 Phaser использовали для проведения рентгенофазового анализа образцов.

Полученные рентгенограммы идентифицировались с помощью картотеки эталонных образцов (PDWIN). Выявление фаз осуществлялось сравнением полученного ряда межплоскостных расстояний с табличными значениями. Сопоставление (в пределах ошибки эксперимента) опытных и табличных значений межплоскостных расстояний и относительной интенсивности линий позволяли однозначно идентифицировать полученные фазы.

Для проведения сканирования поверхности электронным микроскопом и определения химического состава поверхности образца был использован сканирующий электронный микроскоп Tescan VEGA 3LMH c EDX микрозондом для химического анализа.

3. Основные результаты

Для подтверждения нашего предположения были проведены эксперименты по исследованию химического состава обломка (окаменелости) с целью определения содержания химических элементов в нем. В ходе работы были исследованы 6 образцов (табл. 1).

В установлена структурная неоднородность. Установлено, что химический состав взятых образцов кальцита (образцы № 1–3) близок к классическому, состав образцов № 1 и № 6 характеризуется повышенным содержанием Fe, а в состав образцов № 1-3, 6 входит Са.

Результаты химического и ренгенофлуоресцентного методов анализа исследованных образцов совпали (рис. 3).

Это связано с физическими ограничениями метода, которые обусловлены слабыми, низкоэнергетическими сигналами, производимыми лёгкими элементами. Такие сигналы поглощаются воздухом ещё до того, как достигнут детектора анализатора.

качественного и количественного состава шести образцов, взятых из исходного обломка можно предположить, что найденный обломок камня является окаменелостью белемнита (аммонита), так как наблюдается характерная слоистая структура и положительный кислотный тест (окаменелости реагируют с HCl с выделением CO₂). Подтвердить содержание углерода и кислорода в кальцитах можно с помощью изотопного анализа этих элементов (18O и 13С).

Рентгенограммы образцов №1 и №2 показали наличие кальцита формулой Са0.9Mg0.1CO3 (рис. 4, 5).

Исследование структуры, строения и размеров частиц, а также микроэлементный анализ поверхности исследуемых образцов проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Vega 3 LMH (TESCAN, Чехия) с интегрированной системой энергодисперсионного анализа X-max (OXFORD, Великобритания).

Следует сказать о большом удобстве для исследователя интегрирования двух методов анализа – сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского элементного анализа. Такое сочетание, ставшее возможным благодаря приборной комбинации электронного микроскопа и рентгеновского детектора, позволяет одновременно получать информацию об исследуемой структуре и её химическом составе.

Параллельный микроэлементный анализ исследуемой поверхности образца даёт возможность устанавливать локализацию изучаемых фаз на электронных микроснимках.

В результате изучения морфологии поверхности образца обнаружена её структурная неоднородность. На рис. 6 приведены микрофотографии поверхностей образцов, полученные с помощью СЭМ Vega 3 LMH (Tescan).

Рентгенограммы и индивидуальные цветовые карты по элементам (рис. 7–10) позволяют провести локализацию элементов и установить существующие в образце фазы.

Как показали результаты СЭМ, элементный состав образцов № 1 и № 2 совпадает, отличие только в незначительном их процентном содержании. Элементный состав образцов № 3 и № 5 совпадает, отличие только в незначительном их процентном содержании.

Таким образом, по результатам исследований экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что значительных различий в структурном составе образцов не отмечается. Наблюдается преобладание некоторых элементов в определенном участке и содержание их в меньшем количестве в другом. Также отмечаются некоторые скачки концентрации химических элементов в образцах, что может быть связано с происхождением этих слоев.

4. Заключение

Сегодня Кавказ — это молодая горная страна, динамичное тектоническое развитие которой продолжается. Район осевой части Большого Кавказа, хребта Малого Кавказа, продолжают подниматься со скоростью 1–2 см/год, поэтому образование окаменелостей подвержено воздействию многочисленных неблагоприятных факторов и случайностей. Доисторическая жизнь на Земле весьма фрагментарна и испещрена пробелами.

Изученный теоретический материал и проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что найденная окаменелость (обломок) сформировалась в процессе цементации, и может быть отнесена как к диагенезу, так и к эпигенезу.

И основная задача будущих исследований — найти им адекватное объяснение. В дальнейшем планируется продолжить исследование в данной области в урочище Джилы-Су.

The additional file for this article can be found as follows: