Изотопный состав карбонатного углерода и кислорода и распределение стронция в разрезе нижнего фамена по р. Ижма (Южный Тиман)

Автор: Майдль Т.В., Безносов П.А.

Статья в выпуске: 4 (196), 2011 года.

Бесплатный доступ

Приводятся изотопная характеристика типового разреза сосногорской и ижемской свит Южного Тимана, а также данные по распределению стронция. Обсуждаются условия формирования этих отложений.

Изотопия, углерод, кислород, стронций, девон

Короткий адрес: https://sciup.org/149129032

IDR: 149129032

Текст научной статьи Изотопный состав карбонатного углерода и кислорода и распределение стронция в разрезе нижнего фамена по р. Ижма (Южный Тиман)

Наиболее полный разрез нижнего фамена на Южном Тимане вскрывается в обн. 20 по реке Ижма (геологический памятник природы «Со-сновский»). Этот разрез является типовым для двух свит — сосногорской и ижемской. Сосногорская свита представлена толщей переслаивания глинистых и доломитистых известняков, известковистых доломитов и глин. Ее отложения сформировались в мелководных, предположительно лагунных условиях [1]. Относительная изоляция данной части бассейна, вызванная выведением на поверхность расположенного восточнее тела позднефранского барьерного рифа [3, 12], определила крайнюю обеднен-ность отложений сосногорской свиты органогенными остатками. Лишь слой 40 (здесь и далее нумерация слоев дана по П. А. Безносову и др. [2]), известный под названием «рыбный доломит», содержит многочисленные хорошо сохранившиеся макроостатки эндемичного сообщества позвоночных. Этот слой, представленный до-ломитистым известняком с обильными кальцитизированными оогониями и инкрустациями харовых водорослей и глинистым темпеститом в основании, по всей видимости, сформировался в результате одного или нескольких близких по времени штормовых событий. По комплексу миоспор и остракодам сосногорская свита коррелируется с волгоградским горизонтом Центрального девонского поля (ЦДП) [3,4]. Видимая в обнажении мощность сосногорской свиты составляет 11 м, полная мощность по данным скважины — около 30 м.

Выше трансгрессивно с размывом залегают мелководно-морские открыто-шельфовые отложения ижемской свиты, представленные неравномерно-глинистыми узловатыми известняками с прослоями однородных, плитчатых и биокластовых известняков и глин и охарактеризованные обильной фауной беспозвоночных задонского возраста. Видимая в обнажении мощность ижемской свиты составляет 20 м.

Особый интерес к данному разрезу связан с недавним обнаружением в слое «рыбного доломита» частично сочлененных остатков новой, еще не описанной формы примитивного тет-рапода. Эта форма как стратиграфически, так и морфологически является наиболее древней и рыбообразной среди других девонских тетрапод, известных по относительно полным скелетам [7]. Превращение рыбьего плавника в конечность с пальцами и появление первых тетрапод в девоне стало ключевым моментом в эволюции позвоночных животных, обеспечившим им в дальнейшем выход на сушу. В этой связи реконструкция условий обитания и выявление возможных причин гибели этого уникального сообщества имеет крайне важное значение. С этой целью нами был про-

веден изотопно-геохимический анализ карбонатных отложений данного разреза.

Измерения содержаний стабильных изотопов углерода и кислорода выполнены в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН на масс-спектрометре «DELTA V Advantage» (аналитик И. В. Смолева). Значения 813Скарб даны в промилле относительно стандарта PDB, а 818Окарб — относительно стандарта SMOW. Ошибка определения 813С и 818Окарб не превышает 0.04 и 0.06 %с соответственно. Содержание стронция определялось методом эмиссионного спектрального анализа (аналитики Т. В. Якимова, Р. С. Арас-ланова). Погрешность метода 12— 15 %. Результаты анализов приведены в таблице и на рисунке.

В первой пачке сосногорской свиты величины изотопного уплотнения 813Скарб и 818Окарб известняков составляют —3.1 и 23.7 %с соответственно. Кривые изменения величин 813Скарб и 818Окарб в нижней, литологически наиболее мелководной части второй пачки демонстрируют смещение, отрицательное по углероду (до —3.8 %о) и положительное по кислороду (до 26.1 %о). В верхней, большей ее части отмечается утяжеление как углерода, так и кислорода, происходящее практически синхронно. Положительный экскурс изотопных кривых соответствует и третьей пачке. Достигнув максимальных значений вблизи кровли слоя 41 микробиальных доломитов, значения 813Скарб и 818Окарб начинают убывать. Эта тенденция наблюдается и в четвертой пачке. В вышележащих мелководноморских отложениях ижемской свиты значения 813Скарб достигают средних для разреза значений (около —1 %о) и далее почти не меняются. Кривая 818Окарб этой части разреза демонстрирует значительное сходство с кривой 813Скарб. Таким образом, в распределении изотопов углерода и кислорода отмечается прямая корреляционная связь.

В нижнефаменском разрезе на Южном Тимане обнаруживается ряд особенностей в изотопных характеристиках углерода и кислорода по сравнению с одновозрастными разрезами в других регионах мира. Максимальные значения 813Скарб в них достигают 2.5—3, а в отдельных случаях и 4 %о [11, 13], тогда как изученный нами разрез отличается более низкими значениями этого показателя — не более 2.1 %о. Величина абсолютных значе ний 813Скарб может меняться в зависимости от батиметрических, широтных и прочих факторов, варьируя в пределах 1—1.5 %с и более, однако считается, что амплитуда изотопного сдвига при этом должна оставаться постоянной [8]. Согласно палеогеографическим реконструкциям тиманский разрез, как и большинство других, описанных в литературе, располагался в приэкваториальном поясе. Общая амплитуда изотопно-углеродного сдвига составляет в нем 5 %о, что в полтора-два раза больше, чем в разрезах других регионов мира, где этот показатель не превышает 2.5—3 %с [13]. Величина абсолютных значений изотопного сдвига напрямую связана с низкими значениями 813Скарб в основании разреза, где они достигают —3.8 %о. Учитывая крайнюю мелководность отложений с самыми низкими негативными значениями 813Скарб, логично предположить влияние на их формирование подтока пресных вод с континента, обогащенных изотопно-облегченным почвенным бикарбонатом.

Синхронно с увеличением значений 813Скарб в разрезе сосногорской свиты наблюдается постепенное возрастание значений 818Окарб. То же отмечено в одновозрастных разрезах и в других регионах мира [14, 20]. Однако абсолютные значения 818Окарб в изученном нами разрезе в среднем на 1—1.5 %с ниже, чем в иных низкоширотных разрезах [14, 21]. Одним из факторов, обуславливающих низкие содержания 818Окарб в карбонатных породах, является поступление изотопно-легких вод с речным стоком. Наиболее ярко это выражается в эпиконтинентальных морях, в которых отличие от средних океанических значений достигает 1—2 %с [15]. Так как в позднедевонское время район Южного Тимана находился в приэкваториальных широтах, наблюдаемое понижение значений 818Окарб, очевидно, было связано с разбавлением изначально морских вод бассейна изотопно-легкими пресными континентальными водами.

Кратковременные резкие утяжеления изотопного состава карбонатного углерода, или позитивные максимумы величины 813Скарб, в пограничных франско-фаменских разрезах принято связывать с кратковременными трансгрессиями. Они обусловили не только аноксию отдельных акваторий, но и дополнительное поступление с суши фосфора, а следовательно, и усиленную фоссилизацию изотопно-легкого Сорг с соответствующим обогащением морской воды изотопом 13С [9]. Положительный экскурс в изменении величины 813Скарб в изучаемом разрезе завершается максимумом в пласте доломита, перекрывающем костеносный слой. С этим же рубежом совпадает смена ассоциаций макро- и микрофитов: от ассоциации гидрологически открытого мезотроф-ного бассейна (преобладание харофи-тов) к ассоциации закрытого эвтрофного водоема (микробиальное сообщество).

Кроме того, повышение содержания 813Скарб в III пачке сосногорской свиты могло быть связано с процессом метаногенерации в осадке. Как известно, метан при своем формировании забирает из среды повышенную долю 12С, что приводит к осаждению карбоната с утяжеленным изотопным составом углерода [6]. В слоях 40 и 41 наблюдаются многочисленные вертикальные трубкообразные полости диаметром около 0.3—0.5 см. По ряду признаков эти текстуры не могут быть отнесены к ихнофоссилиям и трактуются нами как следы выхода газов. Очевидно, что первичный осадок слоя 40 содержал большое количество органического вещества, представленного талломами харовых водорослей и трупами позвоночных. Быстрое погребение в результате штормового процесса способствовало разложению его в дизоксидных условиях с образованием метана, что в конечном счете также должно было привести к сдвигу величины 813Скарб в положительную сторону.

Положительный экскурс величины 818Окарб определяется как температурой воды, так и её соленостью. Практически синхронное повышение значений 813Скарб и 818Окарб, наблюдаемое и в нашем разрезе, большинством исследователей трактуется как свидетельство похолодания климата. Так, отмеченные в разрезах пограничных франско-фаменских отложений Германии положительные аномалии 818Окарб с максимальной амплитудой 1—1.5 %о, параллельные положительным экскурсам 813Скарб, трактуются как результат охлаждения поверхностных вод в низких широтах на 5—7 ° С вследствие понижения концентрации углекислого газа в атмосфере [14]. Расчетное падение глобальных температур в раннем фамене по сравнению с поздним франом составляет 4.4 °С около полюсов и 2.1 °С на экваторе [9]. В нашем разрезе изменение величины 818Окарб в слое 41 может быть свиде-

тельством увеличения солености бассейна при уменьшении его глубины и выпаривании либо в результате притока соленых «океанских вод» при трансгрессии.

Таким образом, наблюдаемые здесь отличия от известных одновозрастных разрезов морского генезиса как по углероду, так и по кислороду обусловлены, вероятно, экранированием и обособлением этой части бассейна. Связь с океаном, возможно, возобновлялась при кратковременных мелкомасштабных трансгрессиях, влияние которых постепенно нарастало вверх по разрезу сосногорской свиты. Во время накопления четвертой ее пачки изоляция была преодолена и связь с остальной частью бассейна восстановлена.

То же подтверждается данными по содержанию стронция в изученном разрезе. Содержание стронция в карбонатных породах либо его соотношение с содержанием кальция может использоваться в качестве показателя солености бассейна [18,19]. Прибрежные

Изотопный состав карбонатного углерода и кислорода и геохимическая характеристика карбонатных пород нижнефаменского разреза по р. Ижма (обн. 20)

Номер		8^,3С_капб		Sr	СаО	MgO	СО₂	II. О.	Р₂О₅
пробы	СЛОЯ	%(PDB)	%(SMOW)	г/т			%
56	81	-0.3	24.3	430	50.95	0.66	38.78	4.63	0.017
55	80	-1.0	23.4	360	49.14	1.01	38.38	6.61	0.008
54	79	-0.7	23.2	420	40.19	1.53	—	—	—
53	78	-1.6	22.4	420	49.19	0.85	38.66	9.5	0.038
52	77	-0.8	24.4	380	49.59	1.18	39.41	5.83	0.015
51	76	-0.04	23.8	420	48.99	1.95	—	—	—
50	75	-0.7	24.0	400	51.31	1.02	39.32	—	0.035
49	74	-0.4	24.2	370	48.59	2.2	—	—	—
48	73	-1.2	23.6	480	51.24	3.52	—	—	—
47	71	-0.1	25.2	350	48.99	0.85	38.84	8.1	0.009
46	70	-0.6	23.2	410	49.38	1.58	—	—	—
45	68	-0.9	23.4	410	47.05	1.44	—	—	—
44	67	-0.9	23.4	400	51.65	2.3	—	—	—
43	65	-0.6	24.3	330	43.55	1.67	—	—	—
42	64	-0.5	24.1	360	45.66	1.35	36.20	—	0.074
41	63	-0.3	24.2	400	44.86	2.48	—	—	—
40	61	-0.4	24.0	380	50.13	2.55	—		—
39	59	-0.8	23.8	360	49.54	1.78	41.08	5.55	0.029
38	57	-0.6	24.3	320	38.03	4.28	—	—	—
37	54	-1.6	24.4	330	47.03	1.34	38.42	8.61	0.024
36	53	-1.4	24.9	300	42.51	1.3	—	—	—
35	52	-2.0	23.6	290	44.19	1.98	—	—	—
34	51	-1.8	25.7	390	45.51	1.09	—	—	—
33	50	-2.7	24.7	360	47.44	1.66	—	—	—
32	50	-2.5	24.6	410	42.97	2.84	—	—	—
31	50	-1.8	23.9	390	47.31	0.96	35.01	9.8	0.81
30	48	-4.3	24.8	320	40.89	1.52	—	—	—
29	45	-2.4	25.6	390	46.25	0.86	35.58	—	0.074
28	43	-1.8	24.2	240	41.55	1.1	—	—	—
27	41	0.6	26.8	720	30.24	15.45	41.82	8.87	—
26	41	2.1	29.2	1100	29.28	17.5	42.03	5.83	—
25	41	1.8	26.1	500	26.44	16.61	38.05	11.94	—
24	41	1.9	25.9	580	27.56	16.44	39.03	13.17	0.021
23	41	-0.4	25.2	460	29.24	15.43	40.65	8.96	—
22	41	1.8	25.0	460	27.59	15.83	38.45	12.86	—
21	41	1.1	25.2	520	29.43	14.79	39.29	12.67	—
20	40	-0.7	25.4	500	38.42	11.46	42.67	3.3	—
19	40	-0.8	23.4	410	45.85	4.95	39.95	3.43	—
18	40	-0.9	23.7	790	43.21	6.38	40.80	4.68	—
17	40	-0.1	24.3	450	40.33	10.35	42.47	3.2	0.092
16	40	-1.3	23.6	570	46.33	4.09	40.46	4.51	—
15	37	-1.4	23.4	410	50.96	0.58	38.93	5.6	0.15
14	35	-1.5	24.4	380	41.75	1.84	—	—	—
13	34	-1.0	24.9	300	19.04	3.39	—	—	—
12	32	-1.8	25.6	250	36.7	2.73	—	—	—
11	30	-2.3	24.7	240	36.44	3.01	—	—	—
10	26	-2.2	24.7	230	36.27	1.94	—	—	—
09	23	-3	26.6	270	30.08	17.56	42.25	5.9	0.022
08	21	-1.7	24.5	280	40.54	1.73	—	—	—
07	15	-2.6	23.4	250	33.5	2.17	—	—	—
06	13	-3.4	26	250	27.56	19.19	—	—	—
05	11	-3.8	26.1	250	32.68	12.64	37.61	8.41	—
04	9	-3.4	25.7	290	29.01	13.57	37.88	14.72	0.041
03	7	-3.3	21.8	240	40.11	4.09	—	—	—
02	5	-3.2	24	280	43.89	1.78	34.61	—	0.044
01	4	-3.1	23.7	300	49.38	1.88	—	—	—

Примечание. Породообразующие компоненты определялись методом химического анализа. Н. о. — нерастворимый остаток. Данные, набранные курсивом, — результаты приближенно-количественного рентгенофлуоресцентного анализа. Прочерк—не определялось.

отложения с пониженной соленостью отличаются и более низким содержанием Sr. Карбонаты, осаждающиеся из вод повышенной солености, напротив, обогащаются этим элементом. Так, например, в известняках и доломитах эвапоритовых фаций его содержание составляет не менее 0.1 % [5]. Временной тренд распределения стронция в карбонатных породах тиманского разреза демонстрирует значительное сходство с трецдами изотопного уплотне ния как 813Скарб, так и 818Окарб (см. рисунок). Примечательно, что кларковые содержания Sr (0.03—0.04 %) наблюдаются в наиболее мористой четвертой пачке сосногорской свиты и в перекрывающих её заведомо морских открыто-шельфовых отложениях ижем-ской свиты. Карбонатные породы первой и второй пачек сосногорской свиты обеднены Sr, а третьей — обогащены им. При этом в слое «рыбного доломита» содержания Sr возрастают до

0.05—0.07 %, достигая максимальных значений (0.07—0.1 %) в перекрывающих его немых доломитах. Таким образом, пониженные содержания стронция в нижней части сосногорской свиты подтверждают наше предположение об опресненности бассейна. Относительно аномальные содержания стронция в доломитах слоя 41 свидетельствуют в пользу гипотезы последующего осолонения бассейна в результате выпаривания.

Распределение изотопов карбонатного углерода, кислорода и стронция в разрезе нижнего фамена по р. Ижма (обн. 20). 1 — известняк; 2 — известняк доломитистый; 3 — доломит; 4 — узловатые известняки; 5 — мергель; 6 — глины; 7 — тонкое переслаивание

Таким образом, в разрезе нижне-фаменских отложений по р. Ижма наблюдается четкая коррелятивная связь между тремя проанализированными показателями, а именно: ^¹ 3 С_ка рд , ^§ ¹⁸° карб ^и Sr. Наиболее резкие синхронные изменения этих показателей как в ту, так и в другую сторону фиксируются в разрезе сосногорской свиты, а в отложениях ижемской свиты их значения почти не меняются. Похожая картина изменения изотопного состава отмечается и в одновозрастных, близких по широте морских разрезах в других регионах мира. Сходство разрезов, выраженное в общем утяжелении изотопного состава карбонатов в интервале конодонтовой зоны triangularis , является, вероятно, отражением глобальных (хотя и кратковременных) трансгрессивных аноксических эпизодов [6, 9]. Наблюдаемые при этом отличия изученного нами разреза от других по абсолютным значениям упомянутых показателей указывают на то, что отложения сформировались в неодинаковых фациальных обстановках, а следовательно, и в разных палеоэкологических условиях.

Все вышеизложенное позволяет с большой долей уверенности заключить, что формирование отложений типового разреза сосногорской свиты на начальных этапах скорее происходило в прибрежных условиях опресненного водоема озерного типа, нежели в лагуне. Гибель обитавшего здесь сообщества позвоночных, обильные скопления остатков которых наблюдаются в слое 40, была, вероятно, вызвана особенностями самого водоема, а именно — его мелководностью и неоднократной изоляцией, обусловившими в результате резкие изменения физико-химических и биологических параметров его среды. Эти изменения усиливались на фоне ярко выраженной штормовой (ветровой) активности. Связанное со штормами проникновение соленых морских вод и эвтрофикация самого водоема, возникающая в результате перемешивания водной толщи и взмучивания осадка, стали, по-видимому, основными причинами заморов его обитателей и вспышек продуктивности вод бассейна. Те же процессы способствовали быстрому погребению и фосси-лизации костных остатков, что в свою очередь позитивно отразилось на степени их нынешней сохранности.

Авторы признательны сотрудникам Института геологии Коми НЦУрО

РАН Я. Э. Юдовичу и В. С. Чупрову за ценные советы и важные замечания. Работа выполнена в рамках проекта 09-Т-5-1028 Программы фундаментальных исследований ОНЗ РАН № 1 и проекта 09-П-5-1012Программы фундаментальных исследований РАН № 15.

Список литературы Изотопный состав карбонатного углерода и кислорода и распределение стронция в разрезе нижнего фамена по р. Ижма (Южный Тиман)

Безносов П. А. Сосногорская свита - новое местное стратиграфическое подразделение верхнего девона на Южном Тимане // Геология и минеральные ресурсы европейского северо-востока России: Материалы XV Геологического съезда Республики Коми. Т. II. Сыктывкар, 2009. С. 9-12.
Безносов П. А., Хипели Д. В., Кузьмин А. В. и др. Литология, остатки позвоночных и конодонты ижемской свиты в стратотипе // Геология и минеральные ресурсы европейского северо-востока России: Материалы XIV Геологического съезда Республики Коми. Т. III. Сыктывкар, 2004. С. 220-224.
Кузьмин А. В., Шувалова Г. А., Обуховская Т. Г. и др. Пограничные отложения франского и фаменского ярусов ИжмаПечорской впадины // Бюл. МОИП. Отд. геол., 1998. Т. 73. Вып. 4. С. 27- 38.
Москаленко М. Н., Москаленко К. А., Юдина Ю. А. Уточнение биостратиграфического расчленения и корреляции нижнефаменских отложений Ижма-Печорской синеклизы // Геология и минеральные ресурсы европейского северо-востока России: Материалы XIII Геологического съезда Республики Коми. Т. II. Сыктывкар, 1999. С. 224-228.
Юдович Я. Э. Проблемы геохимической диагностики фаций седиментогенеза: Материалы к школе-семинару. Томск, 2007. 188 с.

Еще

Статья научная