Литология и изотопный состав (δ13С, δ18О) карбонатных отложений востока и севера Русской платформы на некоторых стратиграфических рубежах позднего палеозоя

Глава 5. Условия образования пограничных отложений по данным литологии и изотопии углерода и кислорода.

Содержит анализ условий седиментации пограничных отложений востока и севера Русской платформы на основании литологических и изотопно-геохимических исследований.

На основании сопоставления данных литологии (компонентный состав, структурно-текстурные особенности, наличие биогенных остатков) и изотопного состава углерода (δ¹³C) и кислорода (δ¹⁸O) верхнеуфимских и нижнеказанских отложений разреза Ива-гора (р. Сояна, Архангельская обл.) была построена подробная колонка литологического состава и вариаций δ¹³C и δ¹⁸O (рисунок 3), и сделаны следующие выводы:

1. Величины изотопного состава углерода и кислорода варьируют в широком диапазоне: от -2,2 до + 1,9 ‰ для δ¹³C и от 22,5 до 30,5 ‰ для δ¹⁸O в отложениях уфимского яруса и от -1,0 до 3,6 ‰ и от 23,7 до 30,8 ‰, соответственно, в отложениях казанского яруса. Распределение величин δ¹³C и δ¹⁸O по разрезу неравномерное, с многочисленными экскурсами в стороны положительных и отрицательных значений. Это свидетельствует о разнообразии обстановок и условий седиментации уфимских и казанских отложений, которые менялись от семиаридных (возможно - аридных) до гумидных; осадкообразование происходило как в морских, так и солоноватоводных, опресненных условиях. Разные палеогеографические обстановки и условия седиментации отразились также и в литологических особенностях пород.

Рис. 3. Вариации δ13C и δ18O в нижне-среднепермских отложениях разреза Ива-гора (р. Сояна, Архангельская обл). Условные обозначения к рисунку 3: 1 - 4 - обломочные породы: 1 - глины, 2 - алевролиты, 3 - песчаники, 4 - алевропелиты; 5-8 - известняки: 5 - микритово-микробиальные, 6 - биокластово-копролитовые, 7 - детритовые, 8 - криноидные; 9 - 15 - фауна: 9 - фораминиферы, 10 - двустворки, 11 - остракоды, 12 - криноидеи, 13 - брахиоподы, 14 - мшанки, 15 - насекомые; 16 - 18 - растительные остатки: 16 - хорошей сохранности, 17 - плохой сохранности, 18 - аттрит; 19 - 26 - примеси: 19 - песчаная, 20 - алевритовая, 21 - глинистая, 22 - известковая, 23 - доломитистая, 24 - ходы илоедов, 25 - биокласты, 26 - копролиты

2. Во многих случаях по разрезу отмечаются закономерные изменения изотопного состава углерода и кислорода, которые выражены в синхронных экскурсах величин δ¹³C и δ¹⁸O как в положительную, так и в отрицательную стороны. В этом отношении наиболее значимое событие приурочено к стратиграфической границе уфимского и казанского ярусов. На этом рубеже отмечается резкое утяжеление изотопного состава как углерода (от -2,2 до 1,7‰), так и кислорода (от 24,2 до 29,0‰), то есть нижнеказанские отложения самых нижних (приграничных) слоёв в целом характеризуются более тяжелым изотопным составом углерода и кислорода по сравнению с нижележащими верхнеуфимскими.

Вероятно, это обусловлено резкой сменой условий седиментации, которые отразились как на изотопном составе, так и выразились в составе пород - преимущественно песчано-алевритоглинистое осадконакопление, присущее опресненному мелководному бассейну раннепермского времени, сменилось карбонатным (глинисто-карбонатным) с морскими условиями седиментации в средней перми на фоне, по-видимому, общего похолодания. В данном случае можно полагать, что семиаридные условия сменились гумидными.

3. Наблюдается связь изотопного состава и литотипов пород: наиболее тяжелым изотопным составом углерода и кислорода в целом характеризуются известняки (до 3,6 ‰ δ¹³C и 30,8 ‰ δ¹⁸O), а карбонатная составляющая песчаников и алевролитов отличается более низкими значениями δ¹³C и δ¹⁸O (до -2,2 ‰ δ¹³C и 22,5 ‰ δ¹⁸O).

В целом можно сделать заключение, что закономерные изменения условий осадконакопления на рубеже ранней и средней перми обусловлены как сменой обстановок седиментации (литораль, супралитораль, полуизолированные бассейны и прочее), так и периодами аридизации и гумидизации климата:

1. Позднеуфимский этап развития изученного района является заключительным этапом развития кунгурского бассейна и в целом соответствует этапу микробиального карбонатонакопления в условиях крайне мелководного бассейна, нарушаемого поступлением терригенного материала палеопотоками с близлежащей суши. Вследствие этого происходило незначительное опреснение вод мелководного морского бассейна и шло относительно быстрое накопление алеврито-песчаных и алеврито-глинистых отложений при господстве семиаридного (или аридного) климата, что подтверждается отсутствием в них растительных остатков, резко обедненным составом морской фауны и малым ее содержанием. Режим циркуляции вод в бассейне седиментации эпизодически перестраивался под воздействием внедрений Арктических морских вод, влияние которых нашло отражение как на графике в распределении величин δ¹⁸O и δ¹³C (в виде пиков в сторону утяжеления), так и в литологическом составе пород (в сторону резкого увеличения числа фрагментов скелетных остатков морской фауны, в основном брахиопод, аналогичной по видовому составу фауне Гренландии, Канады и Новой Земли (Грунт, 1995; Калашников, 1998)).

2. В начале казанского века в периоды господства нормально-морских условий процесс микробиального карбонатонакопления кратковременно приостанавливался и шло образование органогенных известковых осадков, насыщенных остатками бентосной макрофауны (мшанок, брахиопод, криноидей, крупных и мелких фораминифер, двустворок и прочих). На отдельных его участках шло формирование небольших монотаксонных органогенных построек - мшанковых калиптр и биогермов. Изредка наблюдалось приостановление карбонатонакопления, связанное с поступлением и осаждением алеврито-глинистого или песчаного материала, иногда с возникновением малых мигрирующих островов и отмелей и последующим развитием в их пределах слабо выраженного почвенного или биотурбированного горизонта. Об этом свидетельствует наличие на отдельных интервалах разреза редких мелких ходов корней растений и илоедов, а также горизонтов, обогащенных копролитами.

Литологическое изучение и изотопно-геохимического анализ верхнеказанских отложений стратотипического разреза у с. Печищи (г. Казань) позволили установить, что:

1. Распределение величин δ¹³C и δ¹⁸O по разрезу неравномерное (от -5,8 до + 6,0 ‰ для δ¹³C и от 20,8 до 32,6 ‰ для δ¹⁸O), в целом соответствующее осадконакоплению в морских условиях. Наблюдается связь изотопного состава и литологических типов пород: наиболее тяжелым изотопным составом углерода в целом характеризуются известняки и седиментационные доломиты, а более низкими значениями δ¹³C и δ¹⁸O отличаются карбонатная составляющая песчаников и доломиты замещения. Экскурсы величин δ¹³C и δ¹⁸O, как правило, совпадают с имеющимися границами стратиграфических подразделений (горизонтов).

2. Отложения разреза характеризуются следующими особенностями: повышенной доломитовостью и широкой распространенностью пластов доломитов; наличием микроциклитов, слагающих более половины разреза и состоящих из тончайших слойков микритово-микробиальных известняков, доломитов и их переходных разностей; крайне редким присутствием в разрезе полидетритовых и микритово-микробиальных известняков с обильной разнообразной морской фауной; резким преобладанием остатков прокариот над другими представителями биоса; отсутствием обломочных разностей известняков; присутствием единичных прослоев оолитовых известняков; незначительным содержанием алеврито-глинистого материала и высокой степенью выветрелости карбонатных пород. Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что отложения сформировались в обстановке прибрежной части полузамкнутого, периодически замкнутого мелководно-морского бассейна в условиях аридного климата, в зоне действия приливов и отливов.

Изучение изотопно-геохимических и литологических особенностей отложений Поповцевского карьера (Кировская обл.) показало, что:

1. Распределение величин δ¹³C и δ¹⁸O по разрезу неравномерное, с многочисленными экскурсами в стороны положительных и отрицательных значений, что свидетельствует о неоднократной смене условий седиментации пород. Величины изотопного состава углерода и кислорода варьируют в широких пределах: от -6,0 до +6,8 ‰ для δ¹³C и от 22,9 до 31,1 ‰ для δ¹⁸O. Наблюдается связь изотопного состава и литотипов пород: наиболее тяжелым изотопным составом углерода и кислорода характеризуются микритово-микробиальные известняки, а самыми низкими значениями δ¹³C и δ¹⁸O отличается карбонатная составляющая песчаников. Экскурсы величин δ¹³C и δ¹⁸O, как правило, совпадают с имеющимися стратиграфическими границами горизонтов.

2. Обломочный материал разреза алеврито-песчаный, неравномерно рассредоточенный, в целом составляет около 10 - 12 % от общего объема пород. Его полимиктовость, средняя степень окатанности обломков и значительная их выветрелость и измененность свидетельствует о том, что перенос обломочного материала был недалеким, возможно с близлежащей суши, располагавшейся западнее в виде небольшого острова или полуострова (?), вокруг которого происходило в основном микробиальное карбонатонакопление.

3. Формирование известняков разреза происходило в условиях крайнего мелководья - на отмели или на участке супралиторали, или возможно в заотмельной лагуне. Нередкие небольшие прорывы морских вод приводили к размыву ранее накопившихся, слабо литифицированных известковых осадков и формированию тонко пологоволнистых гравелито- и песчаноподобных микритово-микробиальных известняков. Оолитовые известняки, несколько уровней линзовидного скопления которых наблюдается в верхней части разреза, можно рассматривать как отложения известняковых темпеститов, возникших в результате проявлений крупных штормов (Циклическая и событийная седиментация, 1985).

Изучение изотопного состава и строения карбонатных пород разреза Кремешковского карьера (Кировская обл.) позволили заключить, что:

1. Величины изотопного состава углерода и кислорода варьируют в широких пределах: от -0,4 до 6,3‰ для δ¹³C и от 24,6 до 33,4‰ для δ¹⁸O. Распределение величин δ¹³C и δ¹⁸O по разрезу неравномерное, с многочисленными экскурсами в стороны положительных и отрицательных значений, что свидетельствует о неоднократной смене условий седиментации пород. Осадкообразование происходило как в морских, так и солоноватоводных (опресненных) условиях. Наблюдается связь изотопного состава и литотипов пород: наиболее тяжелым изотопным составом углерода и кислорода характеризуются доломиты, а самыми низкими для данного разреза значениями δ¹³C и δ¹⁸O отличается часть микритово-микробиальных известняков. Экскурсы величин δ¹³C и δ¹⁸O, как правило, совпадают с имеющимися границами стратиграфических подразделений.

2. Карбонатные породы данного разреза сформировались в мелководных условиях, о чем свидетельствует обильное содержание в них микробиальных остатков и их корродированность микробионтами, а также широкое развитие микритово-микробиальных разностей.

3. Можно полагать, что гидродинамический режим в зоне накопления был непостоянным и периодически весьма неспокойным, на что косвенно указывают, с одной стороны присутствие обломков известняков, биокластов гравийно-крупнопесчаной размерности, а также оолитов и микробиальных желвачков, а с другой, наличие тонкой полого-косой и полого-волнистой, реже волнисто-горизонтальной слоистости.

4. Микробиальное карбонатонакопление на данном участке акватории периодически прерывалось в результате внедрения с севера арктических морских вод. Такие периоды характеризовались близкими к нормальным морскими условиями на мелководье и развитием разнообразного бентоса (в результате чего в дальнейшем были сформированы полидетритовые известняки). Эти условия были очень кратковременными из-за крайней мелководности участка морского бассейна и отсутствия поступления питательных веществ вследствие аридизации климата. При относительно спокойных и длительных условиях гидродинамического режима водоема, возможно совпадающих с дальнейшим обмелением бассейна (в связи с воздыманием территории и регрессией) здесь стали расселяться микробиальные сообщества, сначала биокорродировавшие, а затем цементировавшие остатки бентосной макрофауны и раковины головоногих моллюсков - представителей пелагиали.

В результате изучения пород Чимбулатского карьера (Кировская обл.) установлено, что:

1. Величины изотопного состава углерода и кислорода варьируют от 1,3 до 4,7‰ для δ¹³C и от 24,0 до 27,6‰ для δ¹⁸O. Распределение величин δ¹³C и δ¹⁸O по разрезу неравномерное, с экскурсами в стороны положительных и отрицательных значений, что свидетельствует о неоднократной смене условий седиментации пород, которые менялись от аридных до, возможно, семиаридных. Осадкообразование происходило как в морских, так и солоноватоводных (опресненных) условиях крайне мелководного бассейна.

2. В начале позднеказанского времени произошло некоторое обмеление данного участка морского бассейна и незначительная аридизация климата, что привело к формированию сначала оолитово-известковых осадков, а затем известково-доломитовых и доломитовых отложений. Далее наступает этап внедрения морских вод, несколько улучшается экологическая обстановка и климат становится менее аридным (семиаридным?). Вследствие чего накапливаются биогенно-известковые осадки и формируются мелкие органогенные постройки - мшанковые калиптры и биостромы в зоне развития слабых течений, фиксируемые в разрезе появлением криноидных и криноидно-брахиоподовых известняков. Затем снова происходят обмеление морского бассейна и аридизация климата, приведшие к накоплению доломито-известковых микробиальных и известково-доломитовых отложений в небольших понижениях (западинах) морского дна.

Также, была сделана попытка сравнения изотопных данных для трех относительно близко расположенных разрезов одновозрастных пород Волго-Вятского региона (рисунок 4).

Из приведенного ниже рисунка прежде всего следует, что не существует отчетливой корреляции в закономерностях распределения величин δ¹⁸O и δ¹³C в породах сопоставляемых разрезов. Например, отдельные экскурсы величин δ¹³C, отмечаемые на некоторых уровнях сопоставляемых разрезов (например, отрицательных - на уровнях основания P₂kz₂² в Кремешковском разрезе) не проявлены в других разрезах.

Рисунок 4. Сопоставление величин δ13C и δ18O в разрезах верхнеказанских отложений Волго-Вятского междуречья: а) Поповцевский карьер, б) Чимбулатский карьер, в) карьер Кремешки. Условные обозначения к рисунку 4: 1 - 12 - литология: 1 - микритово-микробиальные известняки с оолитами, копролитами и биокластами, 2 - полидетритовые средне-мелкоплитчатые известняки с копролитами, оолитами и биокластами, 3 - тонкоплитчатые известняки, 4 - микритово-микробиальные известняки, 5 - полидетритовые плитчатые известняки, 6 - доломиты, 7 - доломит-известковые породы, 8 - песчаник с гравием, 9 - окремненный известняк, 10 - алевритовые глиты, 11 - гипс, 12 - четвертичные отложения; 13 - 17 - примеси: 13 - гравийная, 14 - песчаная, 15 - глинистая, 16 - кремнистая, 17 - известковая; 18 - 26 - текстуры: первичные (слоистость): 18 - отчетливо-горизонтальная, 19 - не отчетливо-горизонтальная, 20 - прерывисто-горизонтальная, 21 - полого волнистая, 22 - косая, 23 - мульдообразная; вторичные (наложенные): 24 - палеопочвы, 25 - ходы илоедов, 26 - оползневые деформации.

На двух уровнях: P₂kz₂¹ в Кремешковском разрезе и P₂kz₂³ в Поповцевском карьере, отмечаются наиболее высокие значения δ¹⁸O, которые не отмечаются в других разрезах. Так, например, положительный экскурс в микритово-микробиальных известняках пачки P₂kz₂¹ Кремешковского карьера не выражен в других изученных разрезах.

Сопоставление литологических и изотопно-геохимических особенностей изученных пород позволяет заключить, что одновозрастные отложения разных стратиграфических уровней рассматриваемых разрезов были образованы в разных гидродинамических условиях прибрежного мелководья и относятся к разным фациальным зонам (лагуны, супралитораль, литораль и так далее). Разные участки единого мелководного морского бассейна в течение позднеказанского времени характеризовались, по-видимому, разным гидродинамическим режимом и разными палеоэкологическими условиями развития биоса, что на фоне многочисленных внедрений морских вод (по-видимому, опресненных) и процессов испарения приводило к образованию органогенных (в том числе и микробиальных) карбонатов с разным изотопным составом углерода и кислорода.

Осадконакопление сопровождалось многочисленными кратковременными перерывами местного характера, которые, как правило, не сопоставляются между разрезами и которые в значительной степени осложняют корреляцию разрезов.

Таким образом, можно сделать вывод, что изотопные данные по углероду и кислороду отражают строго локальные условия образования карбонатов в процессе седименто- и литогенеза. А значит невозможно сопоставление разрезов мелководно-морских отложений на основе только изотопно-геохимических данных. Литологическое и изотопно-геохимическое исследования являются сторонами единого комплексного исследования при восстановлении обстановок и условий образования пород.

На основании сопоставления данных литологии и изотопного состава углерода (δ¹³C) и кислорода (δ¹⁸O) пограничных девонских и каменноугольных отложений разреза Сиказа (Башкортостан) были сделаны следующие выводы:

1. При анализе изотопных данных пород разреза отмечается, что породы девонского возраста в целом характеризуются более легким изотопным составом углерода и кислорода по сравнению с вышележащими каменноугольными.

2. Карбонатные породы пограничных отложений характеризуются, в целом, положительными значениями δ¹³C (от 1,2 до 3,1 ‰). В то же время величины изотопного состава кислорода характеризуются относительно низкими значениями δ¹⁸O (от 26,3 до 28,2 ‰) по сравнению с карбонатами нормального осадочного морского происхождения. Это может быть следствием влияния двух факторов: незначительным опреснением и более высокими температурами вод палеоводоема по сравнению с условиями седиментации в нормальных морских бассейнах. В пользу последнего говорит присутствие доломитов на отдельных интервалах разреза. Однако только высокими температурами объяснить имеющиеся значения изотопного состава кислорода нельзя. Например, для части карбонатов, характеризующихся изотопным составом кислорода δ¹⁸O ≅ 26 ‰ температуры водоема должны были составлять около 40^oС, что, по-видимому, не соответствует действительности. Такие значения обусловлены, по-видимому, опреснением бассейна седиментации. На незначительное опреснение водоема также указывают: наличие мелких обугленных растительных остатков, привнесенных в бассейн седиментации флювиальным путем с суши и разнесенных течениями по акватории морского бассейна.

3. Изотопные данные, литологические особенности и остатки органической жизни позволяют предположить, что бассейн седиментации в позднем фамене и раннем турне располагался в областях литорали или супралиторали, был преимущественно мелководным, хорошо аэрированным с интенсивным развитием органической, главным образом, микробиальной жизни. О крайней мелководности бассейна также свидетельствует наличие копролитов и мелких ходов илоедов.

4. Уровень глинистых отложений гумеровского горизонта разреза Сиказа в стратиграфическом отношении соответствует интервалу проявления Хангенбергского Глобального Геологического События (ХГСС), зафиксированного в хангенбергских сланцах Рейнских Сланцевых гор и их стратиграфических эквивалентах Западной Европы, США и Канады. В отличие от аналогичных отложений в других районах Северного полушария на рубеже девона и карбона в разрезе Сиказа не наблюдается резких изотопных аномалий углерода и кислорода, что может быть связано со слабо выраженным проявлением геологического события, почти не повлиявшего на изменение палеоландшафтных обстановок карбонатонакопления в данном регионе. Глинистые отложения здесь можно рассматривать как седиментологический маркер обширной морской трансгрессии раннетурнейского времени, являющейся следствием проявления ХГСС (Седаева и другие, 2010).