На земной поверхности области обнажаются терригенно-карбонатные отложения фанерозоя. Они сложены палеозойскими, мезозойскими и кайнозойскими группами пород, резко отличающимися по площади распространения, объему и составу. Фанерозойские отложения с резким угловым несогласием залегают на докембрийских. Последние представляют собой складчатые, сложнодислоцированные метаморфические комплексы пород архей-раннепротерозойского возраста, которые на нашей территории залегают на глубине от 250 до 950 метров. При изучении геологических разрезов, в которых можно наблюдать только петрографические формации осадочного чехла, установлено, что наибольший объем занимают породы девонской системы. Они являются частью Центрального девонского поля широко развитого в пределах Восточно-Европейской платформы. Это наиболее древние образования. Они обнажаются из-под слоя почв и/или более молодых отложений по долинам оврагов и рек по всей территории области. Девонские горные породы залегают в виде горизонтальных слоев, сложенных карбонатными и терригенными формациями. Карбонатная формация представлена известняками, доломитами и мергелями. По внешнему виду это светлые, серые и кремовые мелкозернистые, слоистые породы с отчетливыми поверхностями напластования и многочисленными трещинами и кавернами. В них часто отмечаются различные обломочные текстуры. Среди известняков иногда наблюдаются темные стяжения неотчетливо полосчатых кремней небольших размеров порядка первых сантиметров. В карбонатных породах, лишенных примеси глинистого вещества, часто встречаются хорошо сохранившиеся остатки брахиопод, гастропод, криноидей, кораллов, мшанок, строматолитов, чешуи рыб и следы ползания червей. Терригенная формация представлена глинистыми породами (глины, суглинки), залегающими в виде маломощных прослоев среди карбонатных пород. Девонские отложения расчленены на живетский и эйфельский ярусы среднего отдела и на франский и фаменский ярусы верхнего. В настоящее время их мощность составляет от 200 до 700 метров. По данным бурения она постепенно возрастает в направлении с юга на север.
Геологическая карта
Породы турнейского яруса нижнего отдела каменноугольной системы согласно перекрывают девонские. Отложения карбона встречаются в северной части области по долинам рек Ягодная Ряса, Вязовка, Дон (вверх по течению от г. Данкова). Они сложены песками, глинами, известняками и доломитами мощностью 30-85 метров. В них встречаются следы бурого угля.
Далее геологический разрез продолжает юрская система. Она представлена средним и верхним отделами – батским и келловейским ярусами и сложена темными глинами с линзами и прослоями песка. Юрские горные породы небольшими фрагментами встречаются в северной части области по долинам рек Вязовка, Ягодная Ряса, Красивая Меча и восточнее г.Лебедянь. Эта толща, мощностью 10 м, с размывом лежит на девонских или нижнекаменноугольных породах.
Меловые отложения, сменяющие хронологически и стратиграфически юрские, широко распространены в пределах области. Они залегают на размытой поверхности верхнего девона и лишь на севере области по долинам Красивой Мечи, Вязовки, Дона, Ягодной Рясы имеют нормальный стратиграфический контакт с юрской системой. Меловая система мощностью 70 м расчленена на неокомский (нижний отдел), аптский, сантонский, сеноманский и туронский ярусы (верхний отдел). В литологическом отношении она выражена переслаиванием песков с маломощными линзами глин и кварцевых песчаников с железистым цементом. В верхнемеловых песках наблюдаются мелкие желваки и прослои фосфоритов, а на юго-западе – линзы писчего мела.
Следующей в геологическом разрезе области следует палеогеновая система, представленная верхним отделом (олигоценом). Она проявляется в виде редких, небольшой площади, фрагментов на северо-западе области и залегает со стратиграфическим несогласием на отложениях верхнего мела. Отложения олигоцена представлены двумя пачками песков общей мощностью около 20 метров. В состав нижней пачки входят мелкозернистые, серые, слегка ожелезненные пески с небольшой примесью глауконита и редкими маломощными (первые сантиметры) прослоями зеленовато-серых глин. Верхняя пачка сложена ярко-желтыми, оранжевыми и сиреневыми кварцевыми песками с линзовидными маломощными прослоями светло-серых песчанистых глин.
Стратиграфически выше палеогеновой системы залегают породы неогена. Они покрывают эродированные поверхности всех нижележащих систем. Неогеновые отложения представлены двумя отделами: миоценом и плиоценом. Миоценовые отложения незначительно развиты в юго-западной и центральной частях области, а плиоценовые – очень широко в восточной. По составу они представляют собой пески, содержащие небольшой мощности линзы и прослои глин. Общая мощность пород этого возраста достигает 80 метров.
Заканчивают геологический разрез четвертичные отложения. Они развиты практически повсеместно на всей территории, перекрывая породы всех перечисленных геологических систем, кровля которых была уничтожена дочетвертичными эрозионными процессами. Четвертичные отложения представлены тремя подразделениями, которые в стратиграфии получили название «звено», в силу их малой временной продолжительности относительно отделов в составе периодов. Четвертичная система включает среднее (QII), верхнее (QIII) и современное (QIV) звенья. По составу породы этого возраста представлены илами, суглинками, глинами, песками, супесями с редким щебнем и галькой. Максимальная мощность отложений составляет 55 метров. С исторической точки зрения породы этого времени чрезвычайно интересны нахождением в них остатков жизнедеятельности людей каменного века и животных, которых сегодня уже нет. Известны находки скелетов и отдельных фрагментов мамонтов и других животных.
Обобщенная информация о геологическом строении области сведена в стратиграфической колонке.
Описываемая территория располагается в пределах одной из самых древних на Земле тектонических структур – Восточно-Европейской платформы. Она представляет сложное гетерогенное геологическое сооружение, состоящее из разнородных блоков, различающихся историей геологического развития. Эти блоки сформированы более мелкими тектоническими структурами, такими как Балтийский и Украинский щиты, Московская и Прикаспийская синеклизы, Воронежская и Волго-Уральская антеклизы. Липецкая область целиком вмещается в границы северного крыла Воронежской антеклизы.
Сводный геологический разрез и стратиграфическая колонка
Следствием этого является увеличение глубины фундамента с 250 на юге до 900 м на севере. За пределами области эта структура переходит: на северо-востоке в Пачелмский авлакоген, на юго-востоке – в Прикаспийскую синеклизу, на западе – в Днепровско-Припятский авлакоген и на севере – в Московскую синеклизу.
Сейсмическими исследованиями было установлено, что в пределах области самый древний и самый глубинный уровень земной коры составлен гранулито-базитовым слоем средней мощностью 25 км. Он перекрывается гранито-гнейсовым слоем мощностью 20,5 км, на котором залегает толща осадочных пород средней мощностью от 250 до 950 м.
Немногочисленные, но сравнительно достоверные данные о гранито-гнейсовом слое, получены в результате геофизических и буровых работ, проводившихся в 60-80-х годах прошедшего столетия. Геофизическими методами были установлены его границы, мощность и особенности его строения.
С помощью бурения удалось «пощупать» горные породы, которыми сложена верхняя часть гранитного слоя, установить их минеральный и химический состав, определить их абсолютный возраст. Петрографами установлено, что породы верхней части гранитного слоя сложены метаморфическими и магматическими породами. Метаморфические породы возникли при региональном метаморфизме, в который были вовлечены осадочно-вулканогенные образования, сформировавшиеся на самой ранней стадии развития земной коры. Они представлены кристаллическими сланцами, гнейсами, мигматитами, амфиболитами и роговообманково-биотитовыми гранитами. Метаморфические породы смяты в складки и разбиты многочисленными разломами. Они являются фундаментом, на котором залегает толща осадочного чехла Восточно-Европейской платформы. Эта толща залегает на фундаменте с угловым и стратиграфическим несогласием. Разница в возрасте между ними составляет минимум 900 млн лет. Глубина фундамента по данным бурения достигает 460 метров под Липецком и увеличивается до 782 м под Чаплыгином. Поверхность фундамента Восточно-Европейской платформы на территории области заметно погружается с юга на север. Структурные особенности фундамента не выражены на современной земной поверхности и устанавливаются по данным геофизики и бурения. В фундаменте Воронежской антеклизы, располагающейся в границах Липецкой области, выделяются тектонические древнейшие структуры более мелкого ранга. К ним можно отнести Елецкий эвгеосинклинорий, занимающий большую часть территории края, небольшой фрагмент Касторненского срединного массива на юго-западе, Байгоровско-Грязинскую грабен-синклиналь, а также Восточно-Воронежский прогиб. Последние две структуры располагаются на восточной окраине области. Докембрийские структуры фундамента, фрагменты которых располагаются на территории нашей области, имеют спорный характер. При физико-географических исследованиях это имеет второстепенное значение.
В архее на территории области существовал режим близкий к геосинклинальному. Она располагалась между Сарматской (на востоке) и Украинской (на западе) платформами. В ее пределах накапливались вулканогенно-осадочные и магматические формации. В платформенный режим развития район вступил в конце протерозоя, когда вышеупомянутые структуры объединились в единую – Восточно-Европейскую платформу.
К началу палеозойской эры наш район располагался в пределах северной части крупной положительной структуры – Воронежского массива. Последний до среднего девона являлся высокоприподнятой структурой (сушей), в пределах которой не происходило осадконакопления. В это время поверхность будущего фундамента находилась на дневной поверхности и подвергалась интенсивным процессам физического и химического выветривания с формированием мощной коры выветривания – типично континентального комплекса осадочных пород. В среднем девоне территория области постепенно опустилась и сплошь покрылась морем. Об органической жизни этого геологического периода можно судить по находкам среди карбонатных отложений отпечатков скелетов и окремненной чешуи рыб, слепков морских лилий, брахиопод, строматолитов, мшанок и кораллов. Фауна, встреченная в девонских отложениях, а также гипсы и доломиты свидетельствуют, что море в то время было теплым и неглубоким. Равномерное повсеместное опускание район испытывал в течение средней и верхней эпох девонского периода, после чего море стало отступать на север и в раннекаменноугольное время существовало в виде небольших заливов. Затем вертикальные движения приподняли территорию области, море отступило в северо-западном направлении и процесс морского осадконакопления был полностью прекращен. От среднего карбона до средней юры она представляла собой часть материка. Об этом можно судить по отсутствию соответствующих этому времени систем горных пород. В среднеюрское время началось постепенное опускание района с образованием небольших впадин, заполнившихся спорадическими юрскими мелководными осадками. Опускание закончилось морской трансгрессией, вся территория покрылась неглубоким теплым морем и в течение всего мелового периода она была морским дном. Море было мелким и заносилось мелкообломочным силикатным материалом.
На рубеже мелового и палеогенового периодов произошло постепенное и незначительное поднятие области. В результате этого палеоцен-эоценовая эпоха характеризуется отступлением морского бассейна и прекращением осадконакопления в пределах рассматриваемой территории.
Месторождения полезных ископаемых
Континентальная физико-географическая обстановка сложилась к концу палеогена, т.к. море полностью уходит и район становится сушей с характерным комплексом континентальных осадков, среди которых доминируют аллювиальные, связанные с деятельностью палео-Дона.
Четвертичные отложения залегают на размытой поверхности всех рассмотренных систем. Они обусловлены последствиями окского, днепровского и валдайского оледенений, а также деятельностью рек, озер и болот, ветровой эрозии в послеледниковую эпоху. До настоящего времени область подвержена вертикальным движениям различных направлений и небольшой амплитуды. Так, Среднерусская возвышенность испытывает поднятие со скоростью до 4 мм в год, а Окско-Донская низменность – опускание со скоростью до 2 мм в год. Это явление подчеркивает неугасающую активность недр планеты и в тектонике получило название «колебательных» или «эпейрогенических движений».
Область располагает несколькими типами месторождений, приуроченных к отложениям всех групп, составляющих ее разрез. Все месторождения имеют экзогенное происхождение, а время их образования определяется возрастом тех пород, среди которых они локализованы, то есть от средне-верхнедевонского до четвертичного. Из рудных месторождений на территории области известны железорудные и титано-циркониевые. Железные руды области по условиям образования (хемогенное отложение железа в озерах и болотах) и составу были выделены в самостоятельный липецко-тульский тип. Они представлены бурыми железняками, сложенными минералами гематитом, гетитом и гидрогетитом. Руды залегают на размытой поверхности верхнедевонских известняков и перекрываются нижнемеловыми песками или четвертичными суглинками. Они в виде прерывистого горизонта прослеживаются на глубине от 4 до 60 метров и выделяются в Липецкий железорудный район, располагающийся в междуречье рек Воронеж – Дон на широте г.Липецка (рис. 4). Содержания и запасы железорудных месторождений имели промышленное значение и до 60-х годов ХХ века разрабатывались. Сложные горно-технические условия и небольшие объемы добычи сделали их неконкурентными с рудами месторождений Курской магнитной аномалии.
Рождественский карьер (добыча известняка)
Сенцовский песчаный карьер
Титано-циркониевые месторождения представлены древними россыпями тяжелых минералов рутила (ТiО2), ильмерита (FеТiО3) и циркона (ZrSiО4). Эти россыпи локализованы на севере области в нижнекаменноугольных кварцевых песках. Перспективы этого типа месторождений окончательно не выявлены, скорее всего, они имеют чисто минералогический интерес. Кроме того, в отложениях мелового возраста на северо-востоке области были обнаружены мелкие алмазы размером до 0,25 мм в поперечнике, не имеющие промышленного значения в силу небольших запасов, низких концентраций и мелких размеров минералов. Нерудные полезные ископаемые района представлены месторождениями известняков, доломитов, мергелей, песков и глин, применяемых в различных отраслях промышленности. Этими месторождениями обеспечиваются потребности хозяйства нашей и соседних областей в цементе, щебне, флюсах, формовочных песках, различных глинах.
Лукошкинский карьер (добыча тугоплавких глин)
В качестве, нерудных полезных ископаемых широко используются карбонатные породы девонского возраста (доломиты в качестве флюса, известняки – в пищевой и строительной промышленности, мергели – для изготовления цемента). Кроме того, небольшие по запасам месторождения огнеупорных, тугоплавких, цементных глин различного возраста и суглинков для производства керамзита.
Также интенсивно разрабатываются месторождения песков в качестве балласта и для стекольной промышленности. На юге области в отложениях верхнего мела выявлены непромышленные месторождения фосфоритов и писчего мела.
Помимо рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых в области имеется три источника лечебных минеральных вод (вблизи г. Данкова, Чаплыгина, Липецка) и одно месторождение лечебных грязей (г.Липецк). Также в области имеются каустобиолиты, представленные пятью месторождениями торфа, которые располагаются в долинах рек Воронеж и Становая Ряса. Залежи торфа приурочены к болотам низинного типа. Их средняя мощность колеблется от 1,2 до 2,5 метров, максимальная – 7 метров, средняя зольность 20%. Торф черно-бурый, рыхлый с травянистыми древесными остатками. Месторождения торфа имеют промышленное значение.
Голиковский карьер (добыча известняка)
Анализ состояния минеральных ресурсов Липецкой области показывает, что основные перспективы расширения сырьевой базы связаны с поиском и выявлением новых типов месторождений.