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
[9, С. 119]
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
[11, С. 31]
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
[4, С. 4]
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
[5, С. 130]
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 [1, С. 4]. 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).
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
[1, С. 4].
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)
[6, С. 68][5, С. 130]
Сводная стратиграфическая колонка района Новомосковского месторождения гипса
1[1, С. 4].
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
[10, С. 23][2, С. 2]
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.
[2][10]
В ходе проведения исследования использовались архивные материалы: отчёты первичной разведки 1935–1954гг.; данные 797 проб по 52 скважинам с определением содержаний CaSO₄·2H₂O, SiO₂, MgO, установлены первые зависимости чистоты гипса от глубины [10]; результаты детальной разведки Любовского участка и доразведки Урванского участка (1958–1968гг.); данные 443 проб по 58 скважинам с рентгенофазовым анализом, выявившим доломит в гипсовом цементе (MgO >1,5%) [2]; результаты доразведки Новомосковского месторождения (1981–1984гг.); 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 (>20м) 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
[5, С. 130]
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 3 4 с использованием глубин залегания продуктивной гипсоносной толщи по скважинам.
Карта изопахит продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
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.
Разрез по линии А-А с отображением мощности продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Разрез по линии Б-Б. С отображением мощности продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Разрез по линии Б-Б. С отображением мощности продуктивной толщи. Новомосковское месторождение гипса
Пласты залегают моноклинально с падением 2–3° на северо-запад, следуя общему наклону фундамента. Субширотное простирание структур (азимут 110–120°) обусловлено особенностями палеорельефа дна бассейна.
4. Результаты исследования
Карта средних содержаний SiO2 в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
Зоны содержаний SiO₂>4,5% (рис.
6
Зоны содержаний SiO₂<4,5% (рис.
6
Зоны содержаний SiO₂>5,5% ( 6), локализованные в восточной части месторождения, могут указывать на зону мелководья — гипс с примесью глинистого материала.
Карта средних содержаний Al2O3 в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
7
Зоны содержаний Al₂O₃>3,5% (рис.
7
Распределение аномалий SiO₂ (рис.
6 7
Это подтверждает, что оба параметра являются взаимодополняющими индикаторами фациальных условий и динамики палеобассейна.
Карта средних содержаний Ca2SO4+2H2O в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
8
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).
Карта средних содержаний MgO в продуктивной толще. Новомосковское месторождение гипса
9[3, С. 266]
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
[8, С. 1260]
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.