Реконструкция палеофаций в Оксфорде по изотопным данным (на примере обнажения Макарьев-Южный)

Изотопный состав кислорода (518О) и углерода (513С) карбонатных пород и вмещаемых фоссилий широко используется для палеофациаль-ных реконструкций. Дополнительно к предыдущим исследованиям [5— 7] нами была детально изучена изотопия органического углерода и карбонатных углерода и кислорода в естественном разрезе юрских морских отложений Макарьев-Южный (Костромская обл. РФ). Цель исследований — уточнить и дополнить собственные выводы, а также результаты других авторов [20] о палеофа-циальной обстановке формирования отложений в указанной точке наблюдения, где выходят на поверхность отложения среднего (верхний келловей?) — верхнего (оксфорд — нижний киммеридж) отделов юрской системы.

Методы исследования

Определение величин 5¹³С_орг органического вещества из пород и изотопных отношений 5¹³С_карб и 5¹⁸О_карб белемнитов родов Pachyteuthis и Cylindroteuthis и карбонатов пород выполнено на масс-спектрометре DELTA V Advantage (Thermo Finnigan, Bremen, Germany) с помощью элементного анализатора EA-1112 (аналитик И. В. Смолева), посредством интерфейсного блока ConFlow IV

(система EA-IRMS) и устройства про-боподготовки GasBench II. Методика исследования соотношения изотопов углерода и кислорода нами уже неоднократно и детально была опубликована [4, 5, 7]. Точность значений 513С и 518О была не ниже ±0.15 %о. Величины 518О и 513C представлены относительно международного стандарта V-PDB.

Определение содержания органического углерода (аналитик С. А. Забоева) выполнено методом автоматического кулонометрического титрования по величине pH на углерод с помощью экспресс-анализатора АН-7529М.

Рис. 1. Зависимость величин З ¹³С и З ¹⁸О изотопного состава карбонатных углерода и кислорода в белемнитах и породах из обнажения Макарьев-Южный

Дополнительно белемниты были исследованы методами ЭПР [8], РФА (аналитик С. Т. Неверов) и оптическими способами, чтобы уточнить степень влияния постседиментационных процессов и исключить образцы, сохранность изотопного состава которых вызывала наибольшее сомнение.

Результаты исследования

Изучение изотопного состава углерода и кислорода карбонатных пород (рис. 1, рис. 2, А, Б) показало, что они характеризуются величинами З13Скарб от 2.3 до 4.3 %с (в среднем 3.4 %с) и значениями 518Окарб от -5.5 до 1.9 %с. Величины З13Скарб пород выше, чем белемнитов (рис. 1, рис. 2, А). Кальцит белемнитов характеризуется положительными значениями соотношения изотопов углерода, которые изменяются в интервале от 0.6 до 3.8 %с (в среднем 2.3 %с).

На кривой изменения величин З¹³С_карб пород наблюдаются близкие значения З¹³С_карб 3.5+4 %с в нижнем и среднем оксфорде, которые уменьшаются до 2.5 %с около границы между средним и верхним оксфордом и в верхнем оксфорде. Установлено, что слой с наиболее высоким содержанием органиче- 30

ского вещества (С орг до 15.12 %) совпадает с минимальными величинами 5¹³С к _а рб (рис. 2, В).

Амплитуда изменения соотношения изотопов углерода белемнитов больше, чем пород, почти в два раза (рис. 2, А). На кривой изменения величин З13Скарб белемнитов наблюдается цикличность. Небольшие отрицательные экскурсы величин 513Скарб с амплитудами 1—2 %с прослеживаются в нижнем оксфорде, на предполагаемой границе среднего и верхнего оксфорда и в позднем оксфорде.

Зарегистрирован большой разброс величин З18Окарб пород (рис. 2, Б). Карбонаты верхней части разреза (J3ox3) обеднены по сравнению с нижней частью. Кроме того, установлены два заметных изотопных события, в которых величины 518Окарб резко снижаются до -5.5 %с и -3.6 %с. Причем прослеживается связь между наиболее отрицательными экскурсами изотопного состава кислорода и высоким содержанием Сорг (рис. 2, Б, В).

Показатели З18Окарб белемнитов (рис. 2, Б) изменяются в диапазоне от -2.25 до 3.4 %с. Кривую изменения величин З18О б можно условно разделить на три интерва ла: нижний оксфорд, нижний-сред-ний оксфорд и верхний оксфорд. В нижней части разреза (нижний оксфорд) зарегистрирован небольшой позитивный тренд изменения соотношения изотопов кислорода. Далее, почти до предполагаемой границы среднего и верхнего оксфорда отмечаются относительно высокие переходные величины З18Окарб ~ 3—4 %с. В верхней части разреза (J3ox3) до кровли исследованного интервала тренд меняется на негативный (рис. 2, Б).

Отношения изотопов углерода органического вещества (З13Сорг) из образцов пород изученного разреза варьируют от —26.5 до —23.2 %с (рис. 2, Г). На кривой изменения величин З13Сорг зарегистрирован широкий (долговременный) позитивный экскурс в конце нижнего и начале среднего оксфорда, не связанный с отложениями, обогащенными органическим веществом. При этом величины З13Сорг увеличиваются от —25.6 до —23.2 %с. Экскурсы на кривых изменения величин З13Сорг (рис. 2, Г) и З13Скарб морских карбонатов (рис. 2, А) в том же самом разрезе не совпадают.

Обсуждение

Значения З13Скарб белемнитов, полученные в нашем исследовании, близки зарегистрированным в этом же разрезе ранее [19,20] и отмеченным в отложениях того же самого возраста в других разрезах [18 и др.]. Небольшие различия между значениями З13Скарб белемнитов и вмещающих пород можно рассматривать как результат процессов диагенеза, происходящих при формировании породы в стадии метаноге-нерации. Выделение метана может вызвать повышение З13Скарб растворенного неорганического углерода в поровом растворе [2].

Нередко на кривых изменения соотношения изотопов углерода в юрских отложениях [12; 23 и др.] регистрируют положительные экскурсы в среднем оксфорде. Как видно по нашей кривой изменения изотопного состава карбонатного углерода пород, эпизоды накопления органического вещества не всегда отражаются заметными позитивными сдвигами. Напротив, прослеживается негативное смещение величин З13Скарб на предполагаемой границе среднего и верхнего оксфорда.

Рис. 2. Изотопный состав углерода органического вещества ( 8 ¹³С_орг), углерода ( 8 ¹³С_карб) и кислорода ( 8 ¹⁸О_карб) пород и белемнитов из оксфордских отложений: 1 — места отбора проб; 2 — белемниты; 3 — породы; 4 — зона перехода; 5 — песок; 6 — битуминозные сланцы; 7 — карбонатные глины

Присутствие отрицательного экскурса величин 813Скарб карбонатов из морских известняков и битуминозных сланцев отмечается во многих других разрезах [12, 15— 17, 23 и др.]. Понятно, что заметные негативные экскурсы на кривой 813Скарб и пород, и белемнитов могли быть вызваны выбросом «легкого» углерода 12С органического вещества в бассейн седиментации [13]. Есть мнение, что органическое вещество рассматриваемого слоя имеет преимущественно морское происхождение [3].

Главная причина цикличности на кривой изменения 813С карбонатов белемнитов заключается, видимо, в относительном изменении уровня моря. Интервал сформирован в обстановке высокой гидродинамической активности на мелководье и в среднеглубоком море. Для Русской платформы и Сибири главные изменения относительного уровня моря показаны в работе [22].

Связывая полученные нами новые данные 818Окарб белемнитов с изменениями климата, можно предположить, что во время раннего и среднего оксфорда преобладали низкие температуры. Данные изотопного состава кислорода белемнитов, так же, как и зубов акул, тоже указывают на понижение температур, начавшееся в позднем келловее [1, 11, 14, 20].

М. А. Рогов и Д. Н. Киселев [21] нашли палеонтологическое свидетельство похолодания во время келловея — оксфорда. Они продемонстрировали, что положительное изменение величин 818Окарб сопровождалось увеличением количества арктических аммонитов на Русской платформе.

Рассчитанные по изотопному составу кислорода белемнитов палеотемпературы в нижнем-сред-нем оксфорде изменялись от 1 до 16 °С. Как видно, в части разреза, соответствующей кровле нижнего и среднему оксфорду, зарегистрированы слишком высокие значения 8¹⁸О_карб, которые дают нереально низкие (1—2 °C) расчетные изотопно-кислородные палеотемпературы морской воды (рис. 2, Б), согласно уравнению равновесия по кальциту. Похолодание весьма вероятно, но сомнительной является величина температур. Скорее всего, такие высокие величины 32

818Окарб могли быть показателем региональных или глобальных изменений изотопного состава кислорода морской воды (818Ов) в результате уменьшения поступления поверхностных вод и атмосферных осадков в бассейн. Величины 818Окарб, полученные по форами-ниферам из нижней части разреза (нижний-средний оксфорд), дают диапазон расчетных температур от 6.5 до 17.1 °C (в среднем 9.5 °C) [5], которые кажутся более правдоподобными, чем температура, вычисленная по белемнитам. Разница показателей 818Окарб, установленных в белемнитах и фораминифе-рах из этого разреза, связана с па-леофациальными особенностями и/или изменениями в метаболической деятельности организмов, или большой миграционной подвижностью белемнитов, которые были способны существовать в водах с более широким диапазоном температур [9] и, возможно, солености. Как видно, достоверные вычисления значений палеотемператур с использованием величины 818Ов морской воды для юры проблематично, поскольку трудно учесть все факторы, влияющие на изотопный состав кислорода биогенных карбонатов.

Карбонаты верхней части разреза (и пород, и белемнитов) в целом обеднены тяжелыми изотопами кислорода по сравнению с карбонатами нижней части разреза. Полученные вариации величин 818О подтверждают постепенный подъём температуры в позднем оксфорде. Хотя ранее отмечалось [19], что тенденция к потеплению в поздний юре не всегда отражается на изменении комплексов аммонитов, в которых встречаются то бореальные, то суббореальные и суб-тетические таксоны.

Что касается причин появления двух заметных отрицательных экскурсов на кривой изменения 818Окарб, достигающих —5.5 и —3.6 %с, то такие низкие соотношения изотопов в слоях, обогащенных органическим веществом [7 и др.], не могут быть связаны с повышением температуры. Незрелость органического вещества и необе-звоживание глин [3,10,20] исключают влияние высокой температуры в диагенезе. Наиболее вероятная причина понижения величин Не ТОЛько 813Скарб, Но и 818Окарб в обогащенных органическим веществом отложениях — разложение большого количества морского органического вещества в восстановительных условиях и его последующее окисление. По-видимому, процесс сульфат-редукции привел к формированию карбоната с низкими значениями и 813Скарб и Я 18                                                ’

• ⁸ О карб .

Положительный экскурс, зарегистрированный на кривой соотношения изотопов углерода в органическом веществе (рис. 2, Г), может быть связан с климатическими изменениями (прохладными условиями) в конце нижнего—начале среднего оксфорда. Если сравнить кривые величин 8¹³С_орг органического вещества и изотопного состава кислорода, представленные в этом исследовании, выявляется небольшое различие в положении позитивного смещения: экскурс на кривой соотношения изотопов углерода С_орг заканчивается в разрезе ниже, чем на кривой веЛ^ичиН ^{8 18О} к _а рб.

Заключение

Данные соотношения изотопов углерода и кислорода мезозойских морских карбонатов имеют высокий потенциал использования в целях реконструкции палеоусловий в поздней юре. Зарегистрированы два основных тренда изотопного состава в исследованном разрезе: повышения величин 818О в нижнем оксфорде и понижения в верхнем, отмеченные в изотопных соотношениях и пород, и фоссилий, воспроизводят динамику изменения условий морской воды и находятся в согласии с предложенной общей тенденцией глобального изменения палеообстановки. Совокупность изотопных данных позволяет заключить, что в пределах нижнего-среднего оксфорда произошла перестройка климатических и/или географических условий в истории мезозоя, которая отразилась на изотопном составе углерода и кислорода и пород, и фоссилий. Процесс суль-фат-редукции мог приводить к формированию карбоната с очень низкими значениями 818О.

Авторы благодарят В. В. Митту за помощь в определении фауны и консультации.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума УрО РАН 12-П-5-1011 и Программы УрО РАН 12-У-5-1027.