Эвапоритовые сульфатно-карбонатные отложения в мезопротерозое (типовой разрез рифея) и связь с периодами тёплого климата

Изучение карбонатных руд (магнезиты Южно-Уральской провинции, крупнейшие в мире месторождения сидеритов), а также флюоритов в отложениях рифея на западном склоне Южного Урала в структуре Башкирского мегантиклинория (БМА) показало важную роль рассолов эвапоритовой природы в образовании рудоносных растворов. Все указанные рудные скопления с уникальными запасами были сформированы в терри-генно-карбонатных шельфовых комплексах раннего и среднего рифея (1750–1200 млн лет, мезопротерозой) в результате рифтогенных и тектоно-термальных этапов на уровне 1400, 1250, 1000 млн лет, датированных с помощью изотопно-геохронологических методов (Rb-Sr, U-Pb, Sm-Nd) (Крупенин, 2024). Анализ геодинамической позиции БМА, архитектуры осадочного бассейна, палеогеографии рифейских отложений показал, что Mg-Fe карбонатные метасоматиты, флю- ориты, а также проявления и месторождения полиметаллов и барита формировались во время тектоно-термальных импульсов в долгоживущей Приуральской надрифтовой впадине. Эвапоритовые рассолы, изначально несущие большое количество магния, в условиях глубинного катагенеза послужили источником формирования высококачественных магнезитов. При длительном взаимодействии с вмещающими терригенными толщами химически агрессивные рассолы обогащались железом для формирования залежей сидеритов в области флюидной разгрузки. Предполагается, что подобные процессы происходили и при мобилизации фтора из рифтогенных гранитоидов, полиметаллов и бария из терригенных толщ.

Роль рассолов в специфике минерагении отложений рифея

Изучение термометрии флюидных включений как в околорудных метасоматических

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

доломитах и кварце, так и в магнезитах, сидеритах и флюорите, подтверждает высокую соленость рассолов (на уровне 20–28 % экв. NaCl) (Крупенин и др., 2013). Изучение Cl-Br-Na-систематики пород и руд с помощью ионной хроматографии стало доказательством эвапоритовой природы этих рассолов и базируется на линейном накоплении брома в процессе эвапоритового сгущения морской воды (McCaffrey et al., 1987; Prochaska, Krupenin, 2013; и др.). Таким образом, мез-опротерозойские терригенно-карбонатные толщи в восточной части палеоконтинента Балтика в интервале 1400–1000 млн лет были подвержены воздействию эвапоритовых рассолов, которые, скорее всего, и формировались в осадочных бассейнах того времени. Эвапоритовых залежей, содержащих пласты сульфатов и галогенов, в рифее Приуральской впадины не обнаружено, однако в ниж-нерифейских отложениях прилегающих к ней авлакогенов (Камско-Бельский, Серно-водско-Абдулинский) отмечены находки ангидрита и гипса, частично преобразованного в пирит с изотопно тяжелой серой (Мичурин и др., 2009). В то же время в отложениях нижнего и среднего рифея Башкирского ме-гантиклинория (1750–1250 млн лет) обнаружены признаки былого присутствия эвапоритовых обстановок. Наиболее выразительно такие признаки наблюдаются в протяженных доломитовых горизонтах, достигающих мощности сотен метров. В саткинской свите нижнего рифея карагайская пачка мощностью до 700 м, в бакальской свите ниж-нешуйдинская пачка до 100 м, в авзянской свите среднего рифея реветская пачка до 500 м. Подобные условия можно предполагать и для бассейна накопления отложений суранской свиты (бердагуловская пачка) центральных районов Башкирского меган-тиклинория.

Выделены группы признаков, указывающих на образование эвапоритовых условий: литологические, минералогические, геохимические. К литологическим признакам относятся различные текстурные особенности: брекчии обрушения (коллапс-брекчии), псевдоморфозы по эвапоритовым минералам, следы атектонических хрупко- пластических деформаций (энтеролитовые текстуры). К минералогическим признакам относятся находки сульфатов (барит, гипс) и соли в отложениях, а также минералы-спутники эвапоритовых обстановок. К последним следует отнести кремнезем из палеоповерхностей окремнения, тонкую вкрапленность гематита, различные формы аутигенного магнезиального хлорита, аутигенный низкотемпературный микроклин в карбонатных отложениях (Крупенин и др., 2009). В отложениях разные группы признаков встречаются совместно, подчеркивая неслучайный характер их проявления.

Основным литологическим признаком является наличие специфических текстур, связанных с образованием в карбонатном субстрате эвапоритовых минералов. Чаще всего наблюдаются псевдоморфозы по кристаллам гипса, выполненные вторичным крупнокристаллическим доломитом во вмещающем тонкокристаллическом. Форма псевдоморфоз зависит от кристаллических агрегатов гипса и ангидрита: сечения имеют форму остроугольных многогранников, таблитчатую, клиновидную, призматическую, звездчатую; сложную многоугольную, округлую (рис. 1). Доломитовые псевдоморфозы по кристаллам гипса всегда имеют секрецион-ное строение (рост кристаллов доломита от границы с вмещающим тонкокристаллическим доломитом к центру гнезда).

Закономерная форма гнезд и их строение указывают на то, что их формирование происходило в пустотах, образованных при растворении минералов, форма и положение которых соответствует раннедиагенетическому гипсу в толще частично литифицированного карбонатного осадка. Следовательно, гнезда представляют собой псевдоморфозы вторичного доломита по выделениям первичных раннедиагенетических эвапоритовых минералов, скорее всего, кристаллов и кристаллических агрегатов гипса и ангидрита, которые были растворены в ходе диагенеза и заполнены эпигенетическими минералами. Доказательством этого может служить скопление нерастворимого остатка, состоящего из тонких обломков кварца, хлорита, гематита, в нижней части наиболее крупных гнезд.

Рис. 1. Псевдоморфозы вторичного крупнокристаллического доломита по эвапоритовым минералам (магнезитовмещающая карагайская пачка саткинской свиты RF 1 st 2⁵ ). Диаметр монеты 25 мм

В некоторых брекчированных прослоях карагайской пачки среди темно-серых доломитов развиты двойные слойки (дуплеты), содержащие в нижней части буровато-серый доломитовый матрикс, обогащенный сили-кокластикой, а в верхней – слоек белого доломита. Дуплеты имеют сходство с карбо-натно-сульфатными тонкослоистыми отложениями гиперсоленых тиховодных лагун (Сонненфельд, 1988).

Брекчии обрушения при диагенетическом растворении эвапоритовых минералов широко проявлены в эвапоритовых горизонтах нижнего рифея. Брекчии данного типа, в отличие от других осадочных брекчий (темпе-ститов-флейкстоунов, околорифовых шлейфов), состоят из трех основных компонентов: 1) обломки вмещающих доломитов; 2) тонкозернистый доломитовый матрикс; 3) гнезда, линзы и неправильной формы выделения вторичного крупнокристаллического доломита. Обломки совершенно неокатаны, часто имеют плитчатую форму и пред- ставлены теми же мелкослоистыми серыми доломитами, что и в небрекчированных участках, с различной степенью перемещения (иногда незначительной) относительно своего первоначального положения в прослое. Размеры плиток варьируют в широких пределах и составляют, как правило, первые сантиметры, форма их уплощенная. Отмечено послойное чередование горизонтов с интенсивным брекчированием мощностью до 20 м и тонкослоистых темно-серых доломитов без признаков нарушения слоистости и без гнезд вторичного крупнокристаллического доломита (Крупенин, 2018).

Изотопные исследования серы сульфидов в отложениях раннего рифея ВолгоУральской области (Горожанин и др., 2006) и БМА показали их обогащение тяжелым изотопом S (δ34S от +8 до +24 ‰), что указывает на образование сульфидов в результате сульфатредукции по эвапоритовым сульфатам (Мичурин и др., 2009). В сарапульской свите кырпинской серии при изучении раз- реза параметрической скважины 1 Сарапульская в пелитоморфных доломитах и алевролитах обнаружено большое количество идиоморфных кристаллов ангидрита и гипса, в том числе и в виде срастаний типа «ласточкиных хвостов», и мелкозернистых агрегатов ангидрита. Очень тяжелый изотопный состав серы (δ34S от +22,3 до +23,0 ‰) резко отличает данные сульфаты от аналогичной характеристики сульфатов пермского возраста (δ34S от +9 до +13 ‰) и предполагает их ран-нерифейское время образования. Минимальные значения δ34S составляют 20 ‰ и, вероятно, отражают первичный изотопный состав серы осадочных сульфатов, поскольку известно, что процессы перекристаллизации приводят к утяжелению изотопного состава серы. В то же время в терригенных отложениях суранской свиты (НГС и мергели, бер-дагуловская подсвита), а также в большеин-зерской свите в Ямантауском антиклинории БМА известно большое количество пиритовых стяжений с утяжеленным изотопным составом серы (δ34S от +8 до +24 ‰) (Мичурин и др., 2009). Ранее высокие положительные значения изотопного состава серы были получены и для бакальской свиты (Анфимов, 1997). При этом среди доломитов саткинской свиты исследованиями различных авторов установлены только отрицательные значения δ34S от –16,6 до –3,8 ‰ (Крупенин, Мичурин, 2018). Это определенно указывает на формирование сульфидов (пиритов и халькопиритов) на раннедиагенетическом этапе в результате биосульфатредукции (БСР). Форма выделения сульфидов в виде тонкозернистых стяжений в черных доломитах и мергелях подтверждает возможность их образования с участием сульфатредуцирующих бактерий. Кроме того, в гнездах коллапс-брекчий нижней, подрудной, части карагайской пачки обнаружены включения пирита, играющие роль минералогических уровней (расположены в нижней части гнезд относительно первичной слоистости). Нижняя часть «кокардовых» выделений пирита относительно обогащена легким 32S изотопом до значений δ34S –16, 6‰, в то время как в верхней части таких выделений δ34S варьирует от –11,0 до – 9,1 ‰. Низкие значения δ34S (до –16,6 ‰) предполагают их связь с процессами БСР. Гомодромный тренд утяжеления изотопного состава серы по мере роста пиритовых конкреций указывает на закрытую систему (Крупенин, Мичурин, 2018).

Важным геохимическим индикатором эвапоритовых условий седиментации карбонатных пород является изотопный состав кислорода. Раннедиагенетические эвапоритовые доломиты, как правило, наследуют изотопно-тяжелый кислород морских вод и характеризуются значениями δ¹⁸ОSMOW >25 ‰. Карагайские доломиты саткинской свиты имеют повышенные значения δ¹⁸О SMOW (от 22,52 до 27,36 ‰) (Крупе-нин и др., 2011) по сравнению с вышележащими известняками казымовского горизонта, где значения δ¹⁸О SMOW лежат в узком интервале (22,0 до 24,37 ‰), что характерно для рифейских морских известняков. В верхней части авзянской свиты среднего ри-фея (реветская подсвита, RF 2 av 5 ) развит мощный горизонт эвапоритовых доломитов, с псевдоморфозами вторичного доломита по сульфату. Среднее значение δ¹⁸O составляет 26,5 ‰, стандартное отклонение 1,6 (Bartley et al., 2007), отдельные значения достигают 29 ‰, ниже средних значений для известняков этой свиты (20,78 ‰). Приведенные данные подчеркивают возможную эвапоритовую природу ряда карбонатных горизонтов раннего и среднего рифея и важную роль микробиальных сообществ. Суль-фатредуцирующие бактерии могли стать агентом масштабного поглощения осадочных сульфатов, уничтожая уже на стадии диагенеза вещественные доказательства образования эвапоритовых минералов.

Причины широкого развития эвапоритов в отложениях шельфа

Отличиями раннерифейской и современной БСР являются масштабы данного явления. В раннерифейской низкооксигенизиро-ванной атмосфере с повышенной температурой водоемов процессы БСР в осадках имели более широкое распространение по сравнению с современностью. Это предполагает ведущую роль механизма удаления твердых сульфатов в результате снижения их концентрации в поровом растворе при БСР. Для ряда докембрийских формаций, содержащих доломиты с признаками брекчирования и гнездовыми текстурами псевдоморфоз по гипсу, также предполагается присутствие эвапоритовых условий при отсутствии самих характеристических минералов: «исчезнувшие эвапориты (vanished evaporite)» (Wright, Kirkham, 2010).

В Волго-Уральской области (Камско-Бельский авлакоген) возрастным и стратиграфическим аналогом саткинской свиты является калтасинская свита нижнего рифея (Сергеева и др., 2021), представленная преимущественно доломитами. Re-Os-возраст пиритов из доломитов этой свиты (Sperling et al., 2014) совпадает с доломитами саткинской (около 1500 млн лет (Кузнецов и др., 2008)). Большое площадное распространение доломитов позволяет предполагать существование единого эвапоритового бассейна в калтасинско-саткинское время.

Бассейн саткинского времени можно сравнить с крупным мелководным лагунноморским бассейном нижнепермского возраста на Русской платформе, где, по данным В. Г. Кузнецова (2003), в дистальных фациях на расстоянии в сотни километров от береговой линии накапливались сульфатнодоломитовые отложения. В проксимальных фациях эвапоритового бассейна шло накопление сульфатно-галитовых отложений (Кузнецов, 1992). Последние формировались в условиях, удаленных от береговой линии обширных лагун среди крайне мелководных морей на шельфе Русской платформы (Кузнецов, 2003). Подобные обширные зоны карбонатно-эвапоритовой седиментации описаны также для позднедевонского ЗападноУральского бассейна (Чувашов, 1968). В мелководных надплатформенных (эпиконтинентальных) морях протяженностью до сотен км (Warren, 2016) был затруднен активный водообмен с открытым океаном, а жаркий климат способствовал процессам эвапоритового сгущения морской воды. Выделенные литотипы (доломиты брекчиевидные, с псевдоморфозами) можно рассматривать как соответствующие генетическим типам сульфатно-доломитовых осадков фациального комплекса удаленной мелководной осоло-няющейся лагуны.

Преобладающим типом карбонатных отложений в протерозое были доломиты (Куз- нецов, 2019 и др.). Начиная с палеопротерозоя, в них присутствуют рассеянные сульфаты (Carbonate-associated sulfates), о чем свидетельствуют результаты изучения формации Дойчланд (Duitschland Formation, Transvaal Supergroup) в ЮАР с возрастом порядка 2,3 млрд лет (Guo et al., 2009). В более молодых отложениях, например в туло-мозерской свите ятулия Карелии (2,1 млрд лет), уже фиксируется наличие толщ ангидритов и каменных солей (Морозов и др., 2010). Еще более широкое распространение эвапориты получили на уровне 1,2 млрд лет (Kah et al., 2001), в том числе они описаны из формации Сэсайэти Клифс (Баффинова Земля), до 15 % объема которой представлено гипсом. Сульфатно-доломитовые породы обнаружены и в раннепротерозойской формации Дашицяо, провинция Ляонин, СевероКитайская платформа (Chen et al., 2002). В протерозойских терригенных породах и доломитах кроме прослоев и стяжений ангидрита и гипса наблюдаются многочисленные доломитовые и кварцевые псевдоморфозы по сульфатам, а также горизонты коллапс-брекчий, образованных при диагенетическом растворении сульфатов и послойном брекчировании (Жарков, 2005; Мичурин и др., 2009; Крупенин, 2018; Grotzinger, Kasting, 1993; Melezhik et al., 2001).

Предполагается, что часть палеопротерозоя (карелий), мезопротерозой и часть неопротерозоя (рифей) представляли собой весьма длительный отрезок геологической истории с широким проявлением неактуали-стических обстановок существования крупных мелководных морей в условиях теплого климата. Высокое стояние уровня моря способствовало развитию обширных шельфовых бассейнов с устойчивыми периодами мелководной эвапоритовой седиментации. Для этого длительного интервала времени 2,2–0,72 млрд лет не отмечены эпизоды оледенений (рис. 2).

Серия оледенений, маркированных тиллитами в супергруппах Гурон и Трансвааль, после великого окислительного события (GOE) завершилась на уровне 2,22 млрд лет (Чумаков, 2015; Rasmussen et al., 2013). Существование длительных периодов теплого климата и высокого стояния моря в мезопро-

Гляциопериоды

Млн лет

Гляциоэры

Гондванская

Гауганда

Брюс

Рамзай-Лейк

Байконур Гаскье Марино Стерт Репитен Кайгас

- поздняя пермь

- ранняя пермь средний—поздний карбон ?

ранний карбон — поздний девон ранний палеозой

Рис. 2. Распределение по времени гляциоэр и гляциопериодов (по Чумакову, 2015). Стратиграфическая шкала по (Стратиграфический кодекс..., 2019). Верхний архей: LP – лопий; нижний протерозой: KR – карелий; верхний протерозой: RF 1 – нижний рифей; RF 2 – средний рифей; RF 3 – верхний рифей; V – венд; PZ – палеозой; MZ – мезозой; KZ – кайнозой. Горизонтальные линии слева – положение гля-циопериодов на шкале времени

0__— квартер — поздний плиоцен поздний миоцен

- ранний олигоцен

Иоганесбург ? - Коронейшен

-3000 Одвалени

терозое и, вероятно, в начале неопротерозоя также вписывается в этот тренд. Верхняя (~717 млн лет, неопротерозой, криогений) в

граница устойчивого теплого периода связы- вается с наступлением гляциоэпизода Стёрт российской шкале верхний рифей. Таким об- разом, в протерозое «великая ледниковая пауза» продолжалась примерно с 2220 до 720 млн лет, то есть около 1,5 млрд лет.

Для фанерозоя подобные длительные интервалы существования обширных мелководных надплатформенных морей также известны. В фундаментальной сводке по условиям формирования эвапоритов Дж. Уорреном (Warren, 2016) приведены убедительные примеры мегабассейнов, занимающих значительную площадь древних платформ и несопоставимых с современными эвапоритовыми бассейнами, приуроченными к узким зонам прибрежных лагун. Площадь венд-кембрийского соленосного Восточно-Сибирского бассейна на Сибирской платформе, пермских бассейнов Восточно-Европейской и Северо-Американской платформ достигала более 1 млн км2 (Кузнецов, 2019; Warren, 2016). Существование таких гигантских эвапоритовых палеобассейнов, не имеющих аналогов в современных обстановках (составляющих n*104 км2 (Warren, 2016)), связано, вероятно, с климатическими особенностями древних эпох, в том числе протерозоя (Крупенин, Дуб, 2023).

Заключение

Образование очень крупных ископаемых эвапоритовых бассейнов на континентах в периоды теплого климата определяется, прежде всего, палеогеографическими особенностями. Выделено три основных варианта стилей отложения древних крупных эвапоритовых эпи- и перикратонных бассейнов мира: рамп (иногда с подводным изломом склона на глубине) и 2 варианта окаймленного шельфа: с барьером на краю и отмелью в средней части (Warren, 2016). Рассмотренные варианты предполагают, что гидрографическая связь между открытым океаном и перикратонным морским бассейном могла быть потеряна по одной из причин: нарастание песчаной отмели на краю платформы, небольшое падение уровня моря или тектонический наклон. Длительное существование эвапоритовых условий в устойчиво погружающихся пери- и интракратон-ных бассейнах протерозоя способствовало как накоплению мощных карбонатных горизонтов, так и образованию, а также захоро- нению рассолов в поровом пространстве отложений. Этапы рифтогенной или термальной активизации инициировали миграцию рассолов и в зонах нагрева провоцировали формирование термально-рассольных метасоматических процессов с проявлением особой минерагении: образования залежей кристаллического магнезита, сидерита, флюорита полиметаллов и барита.

Исследования выполнены в рамках темы государственного задания ИГГ УрО РАН (номер госрегистрации 123011800013-6).