Литология, био и хемостратиграфия верхнесерпуховско нижнебашкирских отложений в разрезе Пача Шор (р. Илыч, Северный Урал)

Граница серпуховского и башкирского ярусов совпадает с границей нижнего и среднего отделов каменноугольной системы ОСШ и миссисипской и пенсильванской подсистем Международной страти-

Рис. 1. Месторасположение разреза Пача-Шор. I – Уральская складчатая система; II – Предуральский краевой прогиб; III – Печорская синеклиза; IV – Тиман; V – Пай-Хой. Внизу: карта-схема приустьевого участка сухого руч. Пача-Шор. Тонкие пунктирные линии – границы между стратиграфическими подразделениями; жирные линии – тектонические нарушения.

Fig. 1. Location of the Pacha-Shor section. 1 – Urals folded system; II – Pre-Ural foredeep; III – Pechora syneclise; IV – Timan; V – Pay-Khoy. Down below: map-diagram of the estuary section of the dry stream Pacha-Shor. Thin dotted lines represent boundaries between stratigraphic divisions; bold lines represent tectonic disturbances.

графической шкалы. Широкое развитие и использование изотопного состава углерода и кислорода в последние несколько десятилетий позволило установить во многих разрезах положительную аномалию в пограничных отложениях миссисипия и пенсильвания [1–5 и др]. Но этот уровень не всегда совпадает с биостратиграфической границей серпуховского и башкирского ярусов, как это показано на примере гипостратиграфического разреза на р. Аскын, Башкортостан [6]. По мнению этих авторов, на изменения изотопного состава углерода и кислорода могли иметь влияние смены условий осадконакопления.

На западном склоне Северного Урала, в бассейне р. Илыч, в обнажениях в районе устья сухого руч. Пача-Шор (рис. 1) нами описан разрез верхнего серпухова и нижнего башкира [7]. Целью статьи является анализ биостратиграфических, литологических и изотопных данных и их возможной взаимосвязи.

Материал и методы

Разрез Пача-Шор вскрыт в районе устья одноименного сухого ручья (правый приток р. Илыч) в 1.0–1.5 км выше урочища Лёк Из. Нами этот разрез был изучен во время полевых исследований летом 2015 г. Описание проводилось по ряду профилей, пересекающих постройку Пача-Шор в разных местах, которые впоследствии были скоррелированы друг с другом для получения ясной картины строения этого геологического тела. Шаг отбора образцов определялся мощностью той или иной литологической разности пород (от 1.0 до 4.0 м). Однако при объединении профилей в одну колонку уровни отбора проб накладывались друг на друга и, следовательно, частота проб в вертикальном разрезе увеличивалась. Породы в районе устья руч. Пача-Шор охарактеризованы 37 образцами, из которых было сделано 75 шлифов для изучения литологического состава и микрофаунистических остатков. Шлифы исследовались под поляризационным микроскопом ЛОМО Полам РП-1.

На изотопный состав углерода и кислорода проанализировано 22 пробы известняков. Образцы для изотопного анализа растирались в агатовой ступке, а затем квартовались. Из одного образца, отобранного из центральной части органогенной постройки на уровне сюранского горизонта, ручной микродрелью были высверлены дополнительные пробы для изотопного анализа, характеризующие разные компоненты породы. Разложение карбонатов в ортофосфорной кислоте и измерение изотопного состава углерода и кислорода карбонатов производилось на базе ЦКП «Геонаука» ИГ Коми НЦ УрО РАН. Использовался метод проточной масс-спектрометрии в режиме постоянного потока гелия (CF-IRMS) на аналитическом комплексе фирмы ThermoFisher Scientific (Бремен, Германия) с системой подготовки и ввода проб GasBench II, соединенную с масс-спектрометром DELTA V Advantage. Значения δ13С даны в промилле относи- тельно стандарта PDB, δ18О – стандарта SMOW. При калибровке использованы международные стандарты NBS 18 и NBS 19. Ошибка определения составляет ±0.15‰.

Результаты и обсуждение

Исследования охватывают три направления: биостратиграфия, литология и изотопный анализ.

Биостратиграфический анализ проводился на основании фауны фораминифер в соответствии со схемой стратиграфического расчленения [8]. В разрезе Пача-Шор установлены протвинский и ста-роуткинский горизонты серпуховского яруса, а также богдановский, сюранский, акавасский и аскын-башский горизонты башкирского яруса (рис. 2).

Протвинский горизонт (сл. 1–7; 26.1 м) не содержит зональных видов фораминифер, поэтому установлен по стратиграфическому положению между староуткинским горизонтом и нижнесерпуховскими отложениями, вскрытыми в небольшом выходе 62а на р. Илыч. Породы представлены светлосерыми массивными биокластовыми брахиоподо-выми известняками и цементолитами с подчиненным развитием сгустковых разностей.

Староуткинский горизонт (сл. 8–10; 12.2 м) как и во многих разрезах Среднего и Южного Урала выделяется по появлению Plectostaffella varvariensis и Pl. varvariensiformis , являющихся зональными видами. Он сложен светло-серыми массивными био-кластовыми брахиоподовыми известняками и це-ментолитами с линзами сгустковых известняков.

Богдановский горизонт (сл. 11–16; 10.5 м) в принятой авторами стратиграфической схеме соответствует нижней части башкирского яруса [8]. Он выделяется на основании появления вида-индекса Plectostaffella bogdanovkensis . Обращает на себя внимание, что в основании башкирского яруса здесь отмечается лишь Pl. ex gr. bogdanovkensis (рис. 2), но в этом же слое присутствуют первые Millerella umbilicata и Pl. varvariensiformis tenuissima , чье появление происходит совместно с Pl. Bogda-novkensis [8]. Богдановский горизонт на руч. Пача-Шор сложен биокластовыми брахиоподовыми известняками и цементолитами, однако на р. Илыч он характеризуется линзовидным чередованием био-гермных пятнистых брахиоподово-микробиальных известняков и неявнослоистых органогенных песчаников.

Сюранский горизонт (сл. 17; 2.0 м) во многих разрезах Северного и Среднего Урала отвечает фораминиферовой зоне Eostaffella postmosquensis . Однако первые особи этого вида известны уже в серпуховском веке. Впоследствии для сюранского горизонта Южного Урала и краснополянского горизонта Восточно-Европейской платформы в качестве зональной формы был предложен вид Semi-staffella variabilis [8]. В разрезе Пача-Шор он установлен из выходов биогермных брахиоподово-сгустковых известняков.

Выше отмечен не обнаженный интервал около 25 м по мощности.

Акавасский горизонт (сл. 19–22; 5.3 м) сложен серыми и темно-серыми плитчатыми биокла- стовыми и биоморфными водорослевыми известняками с обилием Donezella и Ungdarella и с подчиненными прослоями известняков пелитоморфных и биокластовых с пелитоморфным цементом. Зональные виды, такие как Pseudostaffella antiqua и Ps. grandis, так и S. cf. minor (Raus.), появляются только в верхней части этого интервала. Однако В.А. Варсанофьева и Д.М. Раузер-Черноусова [9] во многих обнажениях на р. Илыч отмечают серые плитчатые известняки с обильными донецеллами, унгдареллами и Ps. antiqua (северокельтменский горизонт). Это позволяет предположить, что вся эта толща относится к акавасскому горизонту.

Аскынбашский горизонт (сл. 23–25; 3.7 м) представлен известняками биокластовыми, иногда с преобладанием фрагментов водорослей Ungda-rella . Нижняя граница горизонта проводится по первому появлению вида-индекса Pseudostaffella prae-gorsky .

Литологически отложения в районе устья сухого руч. Пача-Шор можно разделить на два комплекса: (1) протвинско-сюранский биогермный и (2) акавасско-аскынбашский открыто-морской.

Протвинско-сюранский комплекс (видимая мощность 50.8 м) представляет собой брахиоподо-во-микробную органогенную постройку и её фланкирующие слои, развивавшуюся с условиях полу-изолированной лагуны [7]. Она сложена брахиопо-дово-сгустковыми и биокластовыми брахиоподовы-ми известняками с линзами цементолитов. В меньшей степени отмечаются прослои криноидных разностей и фенестровых сгустковых известняков.

Акавасско-аскынбашский комплекс (видимая мощность 9.0 м) сложен в основном плитчатыми био-кластовыми и водорослевыми (унгдарелловыми и/или донецелловыми) известняками и представляет отложения открытого мелкого моря. Эти слои характеризуют начало раннебашкирской трансгрессии.

Характер распределения значений δ¹³С карб и δ¹⁸О карб показывает следующую картину (табл. 1; рис. 2):

• 1.    На протвинско-сюранском интервале отмечается постепенное облегчение δ¹³С карб от 2.1 до 0.4...0.5‰ и δ¹⁸О карб от 28.3 до 26.1‰.

• 2.    Породы нижней части акавасского горизонта характеризуются более утяжеленным δ¹³С карб (2.71‰) по сравнению с породами верхней части богдановского и сюранского горизонтов (0.4...0.5‰).

• 3.    В акавасско-аскынбашской части разреза, в целом, отмечается постепенное облегчение δ¹³С карб от 2.7 до 1.4‰.

Таким образом, характер распределения величин δ¹³С карб и δ¹⁸О карб в основании башкирского яруса не показал значительных колебаний. Заметное утяжеление δ¹³С карб между сюранским и акавас-ским горизонтом связано, вероятно, с изменением условий осадконакопления, так как совпадает с отложениями, характеризующими установление открыто-морского режима вследствие подъёма уровня моря. Такое утяжеление близко к распределению δ¹³С в разрезе Аскын на Южном Урале, где повышение δ¹³С также совпадает с обширной трансгрессией [6]. Главным отличием между разре-

Рис. 2. Литология, распространение фораминифер и изотопные значения δ ¹³ С_карб и δ ¹⁸ О_карб.

Условные обозначения: 1 – сгустковый известняк; 2 – брахиоподовый цементолит; 3 – биокластовый бра-хиоподовый известняк; 4 – биокластовый брахиоподовый известняк с пелитоморфным цементом; 5 – органогенный песчаник; 6 – биоморфный водорослевый известняк; 7 – биокластовый водорослевый известняк с пелитоморфным цементом; 8 – полибиокластовый известняк с пелитоморфным цементом; 9 – поли-биокластовый известняк со спаритовым цементом; 10 – пелитоморфный известняк.

Fig. 2. Lithology, distribution of foraminifera, and isotopic values of δ ¹³ C carb and δ ¹⁸ O carb . 1 – clotted limestone; 2 – brachiopod cementstone; 3 – bioclast brachiopod limestone; 4 – bioclast brachiopod limestone with micrite cement; 5 – organogenic sandstone; 6 – biomorphic algal limestone; 7 – bioclast algal limestone with micrite cement; 8 – polybioclast limestone with micrite cement; 9 – polybioclast limestone with sparite cement; 10 – lime mudstones.

Таблица 1

Значения δ ¹³С_карб и δ ¹⁸О_карб для пород разреза Пача-Шор, Северный Урал

Values of δ ¹³С_carb and δ ¹⁸О_carb for whole rocks of the Pacha-Shor section, Northern Urals

Table 1

№ обр. Горизонт Тип породы δ13С,‰, PDB δ18O, ‰, SMOW П-ПШ3/7 аскынташский Известняк биокластовый водорослевый 1.4 27.4 П-ПШ3/5 акавасский Известняк биокластовый с пелитоморфным цементом 2.0 28.0 П-ПШ3/4 Известняк биоморфный водорослевый 2.3 27.5 П-ПШ3/2 Известняк биокластово-пелитоморфный 1.3 25.8 П-ПШ3/1 Известняк биоморфный водорослевый 2.7 27.3 П-ПШ1/1 сюранский Известняк брахиоподово-сгустковый 0.5 26.2 П-Ил63/5 богдановский Органогенный песчаник 0.4 27.1 П-Ил63/4 Известняк биокластовый брахиоподовый 1.4 26.4 П-ПШ2/4 Известняк биокластовый брахиоподовый 1.5 26.7 П-ПШ2/12 Известняк биокластовый брахиоподовый 1.1 26.7 П-Ил63/2 Органогенный песчаник 1.5 27.6 П-Ил63/1 Известняк биогермн. брахиоподово-сгустковый 1.3 27.5 П-ПШ2/13 староуткинский Известняк сгустковый 1.3 26.3 П-ПШ2/15 Цементолит брахиоподовый 1.8 26.8 П-ПШ2/16 протвинский Известняк сгустковый 1.8 27.1 П-ПШ2/5 Цементолит биокластовый 1.7 27.2 П-ПШ2/6 Цементолит биокластовый 2.2 26.5 П-ПШ2/7 Известняк биокластовый брахиоподовый 1.8 28.0 П-ПШ2/8 Известняк биокластовый брахиоподовый 1.6 28.1 П-ПШ2/9 Известняк биокластовый брахиоподовый 1.5 27.4 П-ПШ2/10 Цементолит брахиоподовый 2.00 27.7 П-ПШ2/11 Известняк сгустковый 2.1 28.3 зами Пача-Шор и Аскын является то, что на Южном Урале смена регрессивного этапа осадконакопления трансгрессивным произошла в начале богдановского времени, а на Северном Урале, по всей видимости, в начале акавасского, что может быть связано с разновременностью тектонических движений.

Анализ изотопного состава углерода и кислорода отдельных компонентов породы из образца биогермного брахиоподово-сгусткового известняка (табл. 2) сюранского возраста показал следующую картину (рис. 3):

Таблица 2

Изотопный состав углерода и кислорода компонентов пород (δ13Скомп, δ18Окомп) и карбоната раковин брахиопод (δ13Сбрах, δ18Обрах) в образце брахиоподово-сгусткового известняка сюранского возраста

Table 2

Isotopic composition of С and O of rock components

( δ 13 С

δ О comp )

comp ,

and carbonate of brachiopod shells (δ13Сbrach, δ18Оbrach) from a sample of brachiopod-clumped limestone of the Suranskian age

№ на рис. 3	Компонент	δ13С,‰, PDB	δ18O, ‰, SMOW
1	раковина брахиоподы 1	4.8	28.0
2	сгустковый кальцит внутри раковины брахиоподы 1	0.4	26.3
3	темная микробная корка внутри раковины брахиоподы 1	0.5	26.4
4	раковина брахиоподы 2	1.9	26.3
5	темная микробная корка внутри раковины брахиоподы 2	0.1	26.3
6	сгустковый кальцит между раковинами брахиопод	0.5	26.2
7	биокластовые участки	0.5	26.1

Рис. 3. Биогермный брахиоподово-сгустковый известняк. Сюранский горизонт. Слой 17. Обр. П-ПШ1/1. Точки указывают места отбора проб на изотопный анализ (см. табл. 2).

Fig. 3. Bioherm brachiopod-lump limestone. Syurani-an horizon. Layer 17. Sample П-ПШ 1/1. Points indicate sampling site for isotope analysis (see Table 2).

• 1.    δ¹³С и δ¹⁸О сгустковых и биокластовых участков породы имеют сходные с δ¹³С комп и δ¹⁸О комп значения (от 0.1 до 0.5‰ и от 26.1 до 26.4‰ соответственно).

• 2.    Изотопный состав карбоната раковин двух брахиопод (δ¹³С брах и δ¹⁸О брах ), расположенных в 2.0

см друг от друга, показывает повышенные значения (1.9–4.8‰ и 26.3–28.0‰ соответственно).

Эти данные ясно указывают на несовпадение изотопного состава карбоната раковин брахиопод и других компонентов породы. Объяснение этого факта в изученном разрезе – предмет будущих исследований.

Заключение

Литологическое, стратиграфическое и изотопное изучение пограничных отложений нижнего и среднего отделов каменноугольной системы в разрезе Пача-Шор позволило выявить следующее:

• 1.    В разрезе Пача-Шор по фауне форамини-фер установлены протвинский и староуткинский горизонты серпуховского яруса и богдановский, сюранский, акавасский и аскынбашский горизонты башкирского яруса.

• 2.    По литологическим признакам установлено два комплекса пород: протвинско-сюранский и ака-васско-аскынбашский. Протвинско-сюранский комплекс представляет собой образования брахиопо-дово-микробной постройки, развивавшейся в условиях полуизолированной лагуны. Акавасско-аскын-башский комплекс отражает условия осадконакопления открытого моря, являвшимся следствием раннебашкирской трансгрессии.

• 3.    Изучение изотопного состава углерода и кислорода пород позволило выявить утяжеление δ¹³С карб примерно на границе сюранского и ака-васского горизонтов, совпадающего с началом трансгрессии. Такое распределение сходно с утяжелением δ¹³С, установленным в основании башкирского яруса в разрезе Аскын на Южном Урале, которое также подчеркивается изменениями условий осадконакопления.

• 4.    Анализ изотопного состава углерода и кислорода разных компонентов породы выявил значительные различия в значениях δ¹³С карб и δ¹³С брах .

Авторы выражают искреннюю признательность А.В. Журавлеву (ИГ Коми НЦ УрО РАН) за ценные замечания.

Работа выполнена в рамках темы № АААА-А17-117121270034-3 ИГ Коми НЦ УрО РАН, № АА-АА-А18-118052590025-8 государственного задания ИГГ УрО РАН, при частичной финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект №18-5-5-31 и Комплексной программы фундаментальных исследований УрО РАН № АААА-А18-118052590031-9.