CC BY
9
GEODYNAMICS & TECTONOPHYSICS
Published by the Institute of the Earth's Crust, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
PALEOGEODYNAMICS
2022 VOLUME 13 ISSUE 2s ARTICLE 0620
ISSN 2078-502X
DOI: 10.5800/GT-2022-13-2s-0620
INTERREGIONAL CORRELATION OF THE MIDDLE FRASNIAN (UPPER DEVONOIAN) OF THE NORTH-WEST OF THE RUSSIAN PLATE AND THE EAST OF THE PECHORA PLATE:
AN ECOGEOCHEMICAL ASPECT
A.V. Zhuravlev H
Institute of Geology Komi Science Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 54 Pervomaiskaya St, Syktyvkar 167982, Russia
ABSTRACT. The paper provides an example of the first stratigraphic application of ecogeochemical method based on the analysis of the carbon isotope values in conodont elements. The method is based on hypothesis of almost isochronic regime change (at least within the basin) in isotope fractionation of carbon in pelagic ecosystems which is reflected and kept in carbon isotope composition of conodont elements. This method has been used to compare between different facial Frasnian sequences of the northwestern Russian Plate (coastal marine facies) and eastern Pechora Plate (depression facies). There were traces of three isotope excursions: negative in the vicinity of the MN5 zone basement (domanic horizon basement), negative at the boundary between the MN5 and MN6 zones, and double positive excursion in the upper MN6 zone. The amplitude of excursions is usually much less in the deep-water facies. The similarity of variations in carbon isotope composition of conodont elements in geographically remote and facially different Fransnian sedimentary sequences of the northwestern Russian Plate and eastern Pechora Plate confirms the possibility of using this parameter for stratigraphic correlation.
KEYWORDS: C-isotope composition; conodonts; Upper Devonian; stratigraphy
FUNDING: The work was done as a part of the state assignment theme FUUU-2022-0056.
SHORT COMMUNICATION Received: December 7, 2021
FOR CITATION: Zhuravlev A.V., 2022. Interregional Correlation of the Middle Frasnian (Upper Devonoian) of the North-West of the Russian Plate and the East of the Pechora Plate: an Ecogeochemical Aspect. Geodynamics & Tectonophysics 13 (2s), 0620. doi:10.5800/ GT-2022-13-2s-0620
Correspondence: Andrey V. Zhuravlev, [email protected]
Revised: February 7, 2022 Accepted: February 16, 2022
МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ СРЕДНЕГО ФРАНА (ВЕРХНИЙ ДЕВОН) СЕВЕРО-ЗАПАДА РУССКОЙ ПЛИТЫ И ВОСТОКА ПЕЧОРСКОЙ ПЛИТЫ: ЭКОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ПОДХОД
А.В. Журавлев
Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Первомайская, 54, Россия
АННОТАЦИЯ. В статье рассмотрен первый пример применения экогеохимического метода в стратиграфии, основанного на анализе вариаций изотопного состава углерода конодонтовых элементов. В основу метода положена гипотеза о практической изохронности (как минимум в пределах бассейна) существенных изменений изотопного фракционирования углерода в пелагических экосистемах, которое отражается и сохраняется в изотопном составе углерода конодонтовых элементов. Этим методом сопоставлены разнофациальные франские последовательности северо-запада Русской плиты (прибрежно-морские фации) и востока Печорской плиты (депрессионные фации). Прослежены три изотопных экскурса: отрицательный вблизи подошвы зоны МЫ5 (подошва доманикового горизонта), отрицательный на границе зон МЫ5 и МЫ6 и двойной положительный экскурс в верхней части зоны МЫ6. В глубоководных фациях амплитуда экскурсов, как правило, намного меньше. Присутствие сходных вариаций в изотопном составе углерода конодонтов в географически удаленных и фациально различных франских осадочных последовательностях северо-запада Русской плиты и востока Печорской плиты подтверждает возможность использования этого параметра для стратиграфической корреляции.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: изотопный состав углерода; конодонты; верхний девон; стратиграфия
ФИНАНСИРОВАНИЕ: Работа выполнялась в рамках госзадания по теме FUUU-2022-0056.
1. ВВЕДЕНИЕ
Русская и Печорская плиты в палеозое формировали восточную часть палеоконтинента Лавруссия, или Аркт-Лавруссия [Kuznetsov et al., 2010; Scotese, 2016]. В позднем девоне эпиконтинентальные морские бассейны с терригенно-карбонатным осадконакоплени-ем покрывали значительную часть этих плит (рис. 1). Несмотря на принадлежность этих бассейнов к единому палеоконтиненту, они обладали своей спецификой, которая, в частности, могла быть обусловлена различием в возрасте фундамента структур платформенного типа, в пределах которых были расположены эти осадочные бассейны, а также вариациями темпов и характера погружения субстрата. Так, во франском веке на востоке Печорской и Русской плит произошло заложение внутришельфовых впадин за счет дифференцированного прогибания [Gorozhaшna et al., 2019; Gruzdev et al., 2020; Gruzdev, 2021]. Северо-запад Русской плиты развивался в это время в режиме медленного стабильного погружения. Различия бассейнов проявились и в характере осадконакопления - мелководный при-брежно-морской на северо-западе Русской плиты и глубоководный, с накоплением доманикоидов, на востоке Печорской плиты (рис. 2).
Различия бассейнов обусловили значительные проблемы с детальной корреляцией осадочных толщ фран-ского возраста. Разнофациальность отложений препятствует эффективному использованию биостратиграфического метода et al., 2006; Zhuravlev, 2021а]. Дифференцированные тектонические движения не позволяют проводить достоверную корреляцию циклостратиграфическим методом, поскольку
проявления тектонических движений затушевывают эвстатическую составляющую осадочной цикличности [Gruzdev, 2021].
Задача данной работы - оценить перспективы применения нового экогеохимического (по конодонтам) метода корреляции осадочных последовательностей для среднефранского интервала северо-запада Русской плиты и востока Печорской плиты.
Й» \ Печорская плит Русская плита V •У а С 1 60° с.ш.
ft, 30° 500 км J^"^ в.д.
Рис. 1. Положение рассматриваемых разрезов: 1 - разрезы Главного девонского поля, Русская плита; 2 - разрез на севере гряды Чернышева, Печорская плита.
Fig. 1. Position of the sequences under consideration: 1 - sections on the Main Devonian Field, Russian Plate; 2 - section on the north of the Tchernyshev Swell, Pechora Plate.
2. МАТЕРИАЛ
Материалом для работы послужили коллекции ко-нодонтов из сводной последовательности франского яруса (верхняя часть саргаевского - семилукский горизонт) северо-запада Русской плиты (Главное девонское поле) (см. рис. 1), представленной прибрежно-морскими мелководными терригенно-карбонатными отложениями [Zhuravlev et al., 2006]. Для изотопного анализа углерода использовано 26 конодонтовых элементов различной таксономической принадлежности (Polygnathus, Youngquistognathus, Mehlina, Pandorinelli-na, Ligonodina) с десяти стратиграфических уровней (рис. 2) [Zhuravlev, 2021a].
Коллекция конодонтов, характеризующая относительно глубоководные доманикоидные фации домани-кового горизонта франского яруса востока Печорской плиты, «происходит» из опорного разреза на р. Пымва-шор (север гряды Чернышева) [Kotik et al., 2021] (см. рис. 1). Для изотопного анализа углерода использовано восемь конодонтовых элементов двух видов (Meso-taxis falsiovalis и Polygnathus decorosus) с восьми стратиграфических уровней (рис. 2).
Биостратиграфические построения, использованные в настоящей работе, были подробно изложены ранее в работах [Zhuravlev et al., 2006; Kotik et al., 2021; Zhuravlev, 2021a]. В качестве биостратиграфической основы использованы зоны по конодонтам, выделенные в Монтань-Нуар [Klapper, 1988, 1997].
3. МЕТОДЫ
В работе использован экогеохимический (по коно-донтам) метод корреляции осадочных последовательностей, реализованный на базе оборудования Центра коллективного пользования (ЦКП) «Геонаука» (г. Сыктывкар). Экогеохимия - это применение геохимических характеристик для изучения экологии животных [Mizutani et al., 1991; McMahon et al., 2013]. Для изучения современных и, в особенности, древних организмов в качестве экогеохимического параметра наиболее широко применяется изотопный состав углерода мягких и минерализованных тканей [McMahon et al., 2013; Zhuravlev, 2021b]. Этот параметр отражает экологическую специализацию организмов и состояние экосистемы, а его временная и пространственная динамика отвечает преобразованиям пелагических экосистем [McMahon et al., 2013; Zhuravlev, 2021b].
В основу применения вариаций экогеохимических параметров (прежде всего, изотопного состава углерода конодонтовых элементов) в стратиграфии положена гипотеза о практической изохронности (как минимум в пределах бассейна) существенных изменений изотопного фракционирования углерода в пелагических экосистемах, которое отражается и сохраняется в изотопном составе углерода конодонтовых элементов. При этом большая часть конодонтов, как консу-менты первого уровня, сходно реагировали на изменения экосистем [Zhuravlev, 2020]. Это обеспечивает корректность сравнения динамики (но не абсолютных
значений) изотопного состава углерода конодонтовых элементов различных таксонов как на видовом, так и на родовом уровне [Zhuravlev, 2021a, fig. 5].
Результаты моделирования процессов фракционирования изотопов углерода в пелагических экосистемах (модифицированная модель [Hayes et al., 1999; Hartke et al., 2021], компьютерная реализация (https://github. com/avz777/C-isotope-model) показывают, что эти процессы преимущественно контролировались продуктивностью фитопланктона, изменениями в изотопном составе растворенного неорганического углерода и вариациями содержания углекислоты, а также температурой. Перечисленные факторы, в свою очередь, связаны с климатическими флуктуациями и эндогенной активностью, что обеспечивает их глобальное действие.
Изотопный состав углерода конодонтовых элементов (интегральная характеристика углерода органической и минеральной компоненты, подробнее см. [Zhuravlev, 2021a, 2021b]) 613Ccon был определен в ЦКП «Геонаука» (г. Сыктывкар) на масс-спектрометре DELTA V Advantage с Thermo Electron Continuous Flow Interface (ConFlo III) и Element Analyszer (Flash EA 1112). Использовался международный стандарт USGS-40 (L-Glutamic acid). Точность определения 613Ccon составляла ±0.15 %%. Химическая и физическая устойчивость конодонтовых элементов, сложенных коллаген-гидроксилфтор-карбонатапатитовыми композитами, обеспечивает хорошую сохранность первичного изотопного сигнала, в отличие от карбонатов и рассеянного органического вещества [Zhuravlev et al., 2020]. Для анализа были использованы конодонтовые элементы хорошей сохранности с индексом окраски менее 3, что обеспечивает минимальную деградацию органической составляющей [Zhuravlev, 2021b].
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Детальная корреляция франских последовательностей рассматриваемых регионов биостратиграфическим методом невозможна из-за существенных, фа-циально обусловленных, различий комплексов органических остатков. По конодонтам удалось примерно идентифицировать только два корреляционных уровня в нижнем - среднем фране Главного девонского поля: в подошве зоны punctata (подошва зоны MN5) и в основании зоны MN6 [Zhuravlev et al., 2006; Zhuravlev, 2021a] (рис. 2).
Данные по распределению изотопного состава углерода конодонтов в нижнем - среднем фране Главного девонского поля приведены по [Zhuravlev, 2021a]. В нижней части чудовских слоев (саргаевский горизонт) идентифицирован кратковременный положительный экскурс 613Ccon (около -24 %). Этот экскурс обозначен как C1 (рис. 2) (здесь и далее обозначения экскурсов даны по [Zhuravlev, 2021a]). Слабовыраженные отрицательные сдвиги отмечены в дубниковских слоях саргаевского горизонта и нижней части порховских слоев семилукского горизонта (рис. 2). Наиболее значительный отрицательный экскурс (до -32 %) установлен
Состав
Поднятие Чернышева [Kotik et al., 2021]
/
C2-3
_CN1
"7
I I
4
\
\
1 м
\
/
/
-29 -28 -27 -26 -25 -24
Слои
Бурегские
-I —I-
Ильменские
Свинордские
Порховские
Дубниковские
Чудовские
Псковские
Снетогорские
Состав
-1 — 1-
-1 — 1-
-1 — 1-
Главное девонское поле [Zhuravlev, 2021]
C3
C2
CN1
ч
\
7
10 м
V«
C1 • /
У / .
-32
-30
-28
-26
-24
-22
513Сотп 0/„
И
Алевролиты Глины
|----1 Корреляция биостратиграфическим методом
| | Средние значения б13^ Известняки глинистые
Чередование известняков кремнисто-глинистых и аргиллитов
Рис. 2. Сопоставление разреза на р. Пымвашор (север гряды Чернышева) и сводного разреза Главного девонского поля биостратиграфическим и экогеохимическим методами. Обозначения изотопных отклонений дано по [Zhuravlev, 2021a]. Fig. 2. Correlation of the Pymvashor River section (north of the Tchernyshev Swell) and the synoptic section of the Main Devonian Field by the biostratigraphic and ecogeochemical methods. The C-isotope excursions are marked after [Zhuravlev, 2021a].
5Xcon 1
в нижней части ильменских слоев (CN1 на рис. 2). Небольшой положительный сдвиг выявлен в средней части ильменских слоев (C2 на рис. 2). На этом уровне значения 513C повышаются до -23.6 %о ... -26.8 %о.
con ^
Экскурс C2 отделяется некоторым снижением значений 613Ccon (до -28 %о) в нижней части бурегских слоев от последующего положительного экскурса C3 (до -22 %о) в средней части бурегских слоев (рис. 2).
Информация по распределению изотопного состава углерода конодонтов в среднем фране севера гряды Чернышева приведена по [Kotik et al., 2021] с дополнением новыми данными для верхней части разреза. Анализ этой информации показал облегчение изотопного состава до -27.0 %о в пограничном нижнесредне-франском интервале (верхи зоны MN4) с последующим утяжелением до -26.2 %о в нижней части зоны punctata (зона MN5) (рис. 2). Выше, вблизи границы зон MN5 и MN6, зафиксирована слабая отрицательная аномалия в изотопном составе углерода конодонтов - до -26.9 %о. В верхней части зоны MN6 значения 513C незначи-
con
тельно возрастают до -26.6 %о с последующим снижением до -27.5.-27.8 %о в зоне MN7 (рис. 2).
Невысокая детальность опробования разрезов позволяет лишь приблизительно проследить некоторые уровни вариаций 613Ccon. Незначительный отрицательный экскурс вблизи границы зон MN4 и MN5, отмечаемый в рассматриваемых последовательностях, подтверждает корректность биостратиграфического
прослеживания этого уровня в подошве порховских слоев на Главном девонском поле. Отрицательный сдвиг, обозначенный как СЫ1 (рис. 2), подтверждает сопоставление нижней части ильменских слоев семилукского горизонта Главного девонского поля с основанием зоны МЫ6. Два сближенных положительных экскурса в верхней части ильменских слоев и в бурегских слоях семи-лукского горизонта Главного девонского поля, вероятно, соответствуют положительной аномалии в верхней части зоны МЫ6 на гряде Чернышева (рис. 2). Это позволяет сопоставить ильменские и бурегские слои (верхняя часть семилукского горизонта) с зоной МЫ6.
В целом, амплитуда вариаций 613Ссоп в мелководной последовательности северо-запада Русской плиты (около 10 %о) значительно превосходит таковую в разрезе Печорской плиты (менее 4 %). Эти различия, скорее всего, определяются более стабильными условиями в глубоководных частях бассейна по сравнению с прибрежными мелководными, а также большим влиянием климатических изменений на прибрежные экосистемы толщи воды.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В среднефранском интервале выделено три экскурса в 613Ссоп, потенциально пригодных для широких корреляций. Первый отрицательный экскурс расположен вблизи подошвы зоны МЫ5 (подошва домани-кового горизонта), второй экскурс (СЫ1) маркирует
границу зон MN5 и MN6, а третий двойной положительный экскурс (C2-3) отмечен в верхней части зоны MN6. Эти экскурсы выявлены в разрезах обоих рассмотренных регионов, однако имеют различную амплитуду. В глубоководных фациях амплитуда, как правило, намного меньше, чем в мелководных.
Присутствие сходных вариаций в изотопном составе углерода конодонтов в географически удаленных и фациально различных франских осадочных последовательностях северо-запада Русской плиты и востока Печорской плиты подтверждает возможность использования этого параметра для стратиграфической корреляции. Как и любой геохимический метод, эко-геохимический требует предварительного выделения опорных последовательностей в ключевых разрезах различных регионов. Работа представляет собой один из первых шагов в этом направлении.
6. БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает благодарность И.В. Смолевой (ЦКП «Геонаука») за проведение аналитических работ.
7. КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ / CONFLICT OF INTERESTS
Автор заявляет об отсутствии у него конфликта интересов. Автор прочитал рукопись и согласен с опубликованной версией.
The author has no conflicts of interest to declare. The author has read and agreed to the published version of the manuscript.
8. ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Gorozhanina E.N., Gorozhanin V.M., Zagranovskaya D.E., Zakharova O.A., 2019. About the Structure of the Kama-Kinel Trough System. Proceedings of Higher Educational Establishments. Geology and Exploration 3, 920 (in Russian) [Горожанина Е.Н., Горожанин В.М., Заграновская Д.Е., Захарова О.А. О строении Камско-Кинельской системы прогибов // Известия вузов. Геология и разведка. 2019. № 3. С. 9-20]. DOI:10.32454/0016-7762-2019-3-9-20.
Gruzdev D.A., 2021. Late Devonian-Early Carboniferous Isolated Carbonate Platforms of the North of the Urals and Pay-Khoy. Vestnik of Geosciences 10, 3-15 (in Russian) [Груздев Д.А. Позднедевонско-раннекаменноугольные изолированные карбонатные платформы на севере Урала и Пай-Хоя // Вестник геонаук. 2021. № 10. C. 3-15]. https://doi.org/10.19110/geov.2021.10.1.
Gruzdev D.A., Gerasimova A.I., Zhuravlev A.V, Vevel Y.A., 2020. Geohistorical Analysis of the Northern Part of the Pai-Khoi Carbonate Parautochthone in Late Devonian - Carboniferous. Lithosphere 20 (5), 668-681 (in Russian) [Груздев Д.А., Герасимова А.И., Журавлев А.В., Вевель Я.А. Геоисторический анализ северной части Пай-Хойского карбонатного паравтохтона в позднем девоне - карбоне // Литосфера. 2020. Т. 20. № 5. С. 668681]. https:// doi.org/10.24930/1681-9004-2020-20-5-668-681.
Hartke E.R., Bradley D., Cramer B.D., Calner M., Melchin M.J., Barnett B.A., Oborny S.C., Bancroft A.M., 2021. Decoupling
S13C , and S13C at the Onset of the Ireviken Carbon Isotope
carb org 1
Excursion: A13C and Organic Carbon Burial (f) during a Silurian Oceanic Anoxic Event. Global and Planetary Change 196, 103373. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2020. 103373.
Hayes J.M., Strauss H., Kaufman A.J., 1999. The Abundance of 13C in Marine Organic Matter and Isotopic Fractionation in the Global Biogeochemical Cycle of Carbon during the Past 800 Ma. Chemical Geology 161 (1-3), 103-125. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(99)00083-2.
Klapper G., 1988. The Montagne Noire Frasnian (Upper Devonian) Conodont Succession. In: N.J. McMillan, A.F. Embry, D.J. Glass (Eds), Devonian of the World. Proceedings of the 2nd International Symposium on the Devonian System -Memoir 14. Vol. III. Paleontology, Paleoecology and Bio-stratigraphy. Canadian Society of Petroleum Geologists Special Publication, p. 449-468.
Klapper G., 1997. Graphic Correlation of Frasnian (Upper Devonian) Sequences in Montagne Noire, France, and Western Canada. In: G. Klapper, M.A. Murphy, J.A. Talent (Eds), Paleozoic Sequence Stratigraphy, Biostratigraphy, and Bio-geography: Studies in Honor of J. Granville ("Jess") Johnson. Geological Society of America 321, 113-129. https://doi. org/10.1130/0-8137-2321-3.113.
Kotik I.S., Zhuravlev A.V., Maydl T.V., Bushnev D.A., Smo-leva I.V., 2021. Early-Middle Frasnian (Late Devonian) Carbon Isotope Event in the Timan-Pechora Basin (Chernyshev Swell, Pymvashor River Section, North Cis-Urals, Russia). Geologica Acta 19.3, 1-17. https://doi.org/10.1344/Geo logicaActa2021.19.3.
Kuznetsov N.B., Natapov L.M., Belousova E.A., O'Reilly S.Y., Griffin W.L., 2010. Geochronological, Geochemical and Iso-topic Study of Detrital Zircon Suites from Late Neoprotero-zoic Clastic Strata along the NE Margin of the East European Craton: Implications for Plate Tectonic Models. Gondwana Research 17 (2-3), 583-601. https://doi.org/10.1016/j.gr. 2009.08.005.
McMahon K.W., Hamady L.L., Thorrold S.R., 2013. A Review of Ecogeochemistry Approaches to Estimating Movements of Marine Animals. Limnology and Oceanography 58 (2), 697-714. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.2. 0697.
Mizutani H., Kabaya Y., Wada E., 1991. Nitrogen and Carbon Isotope Compositions Relate Linearly in Cormorant Tissues and Its Diet. Isotopenpraxis 27 (4), 166-168. http:// doi.org/10.1080/10256019108622500.
Scotese C.R., 2016. PALEOMAP PaleoAtlas for GPlates and the PaleoDataPlotter Program. In: Abstracts of 50th Annual Meeting of the Geological Society of America. North-Central Section (April 18-19, 2016). Vol. 48. Iss. 5. Geological Society of America, Paper 24-11. http://doi.org/10.11 30/abs/2016NC-275387.
Zhuravlev A.V., 2020. Trophic Position of Some Late Devonian - Carboniferous (Mississippian) Conodonts Revealed on Carbon Organic Matter Isotope Signatures: A Case Study of the East European Basin. Geodiversitas 42 (24), 443-453. https://doi.org/10.5252/geodiversitas2020v 42a24.
Zhuravlev A.V., 2021a (in press). Lower-Middle Frasnian Organic Carbon Isotope Record of Conodonts in East European Platform. Palaeoworld. https://doi.org/10.1016/ j.palwor.2021.07.003.
Zhuravlev A.V., 2021b. Middle-Late Paleozoic Conodont Ecogeochemistry: An Overview. Vestnik of Geosciences 3, 31-34. http://doi.org/10.19110/geov.2021.3.5.
Zhuravlev A.V., Plotitsyn A.N., Gruzdev D.A., 2020. Chapter 40: Carbon Isotope Ratios in the Apatite-Protein Composites of Conodont Elements - Palaeobiological Proxy. In:
O.V. Frank-Kamenetskaya, D.Y. Vlasov, E.G. Panova, S.N. Les-sovaia (Eds), Processes and Phenomena on the Boundary between Biogenic and Abiogenic Nature. Lecture Notes in Earth System Sciences. Springer, Cham, p. 749-764. https:// doi.org/10.1007/978-3-030-21614-6_40.
Zhuravlev A.V., Sokiran E.V., Evdokimova I.O., Dorofee-va L.A., Rusetskaya G.A., Malkowski K., 2006. Faunal and Facies Changes at the Early-Middle Frasnian Boundary in the North-Western East European Platform. Acta Palaeon-tologica Polonica 51 (4), 747-758.
