CC BY
7
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
2022, Т. 164, кн. 4 С.590-605
ISSN 2542-064X (Print) ISSN 2500-218X (Online)
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ
УДК 552.524:551.736.3+551.83
doi: 10.26907/2542-064X.2022.4.590-605
ПАЛЕОПОЧВЫ КРАСНОЦВЕТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КАЗАНСКОГО ЯРУСА РАЗРЕЗА СЕНТЯК
Ф.А. Муравьев, Т.В. Кропотова, Б.И. Гареев, Г.А. Баталин
Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия
В работе приведены результаты комплексного исследования палеопочвенных профилей опорного разреза казанского яруса Сентяк и опорного разреза пограничных отложений уфимского и казанского ярусов в Елабуге, расположенных в Нижнем Прикамье. Проведена идентификация палеопочвенных профилей в казанских отложениях и реконструкция на их основе палеоландшафтных и палеоклиматических условий. Выделено три типа палеопочв, различающихся степенью зрелости и комплексом педогенных признаков: протосоли, каль-цисоли средней и высокой степени зрелости, последние характерны только для нижнеказанских отложений. По литологическим и палеонтологическим признакам почвовмещаю-щих пород реконструированы обстановки озерно-аллювиальных равнин. Педогенные признаки палеопочв (сликенсайды, карбонатные нодули) свидетельствуют о переменно-влажном теплом климате. Среднегодовое количество осадков, рассчитанное по геохимическим индикаторам палеопочвенных профилей, составило 539 мм/год для нижнеказанских и 476 мм/год для верхнеказанских палеопочв, что наряду с педогенными признаками указывает на субгумидный/субаридный характер климата. Изотопный состав кислорода карбонатных нодулей палеопочв отражает некоторую аридизацию климата в раннека-занское время (29.7%о SMOW 5180) по сравнению с уфимским (18.7%о SMOW 5180) и позднеказанским (22.3%о SMOW 5180). Отсутствие признаков оглеения свидетельствует об автоморфном характере палеопочв, а их небольшая мощность, эродированность верхних горизонтов и низкая степень зрелости в верхнеказанских отложениях указывают на то, что скорость седиментации превышала скорость почвообразования.
Ключевые слова: палеопочва, карбонатные нодули, казанский ярус, уфимский ярус, геохимические индикаторы, изотопы углерода и кислорода
Палеопочвы представляют собой ценный архив геологической информации, позволяющей реконструировать палеоландшафтные и палеоклиматические условия, выявлять перерывы в осадконакоплении и тем самым дополняющей палеонтологическую характеристику осадочных пород. Пермские палеопочвы Волго-Уральской области, сформированные на красноцветных терригенных осадках, в настоящее время изучены недостаточно, большинство работ посвящено исследованию палеопочв уржумского и северодвинского ярусов пермской системы [1-7].
Аннотация
Введение
Палеопочвы континентальных отложений казанского яруса данной территории практически не исследовались.
Разрез казанского яруса Сентяк расположен в Елабужском р-не Татарстана на склонах правого берега р. Камы, 0.5-2.0 км выше по течению от с. Покров-ское (Сентяк) (55°42'06.7"С, 51°44'08.2"В) (рис. 1), и является опорным разрезом для Нижнего Прикамья [8, 9]. Нижняя часть разреза в составе байтуганских и нижней части камышлинских слоев представлена морскими фациями, верхняя часть нижнеказанских и все верхнеказанские отложения - красноцветными породами, содержащими неморскую фауну [8, 9]. Данный разрез хорошо изучен палеонтологическими [9], литологическими [10] и геохимическими [8] методами, однако палеопочвы в нем не были описаны до настоящего времени.
Целью настоящей работы является идентификация палеопочвенных профилей в казанских отложениях, их палеоклиматическая и палеоландшафтная интерпретация.
Методы исследования
Главным объектом исследования служили отложения разреза Сентяк мощностью около 140 м, из которых верхние 90 м представлены красноцветными породами (рис. 2). Всего было отобрано 39 образцов палеопочв и вмещающих пород с разных стратиграфических уровней. Для сравнения были также отобраны 8 образцов палеопочв из красноцветной части отложений уфимского яруса нижней перми опорного разреза в Елабуге [9]. Характер залегания, структурно-текстурные признаки, степень вторичных изменений исследуемых пород изучались полевыми методами. Выявление и документация палеопочвенных профилей проводились с помощью методики, изложенной в работе [11], классификация палеопочв проводилась по схеме Г.Х. Мака и др. [12]. При описании палеопоч-венных профилей проводилась их типизация, основанная на сходстве физико-химических и педогенных признаков, отражающих условия формирования па-леопочв [13].
Лабораторные исследования включали определение карбонатности и нерастворимого остатка, оптическую микроскопию палеопочв, карбонатных нодулей, а также песчано-пылеватой фракции палеопочв, рентгено-флуоресцентный анализ (РФА), рентгено-фазовый анализ илистой фракции палеопочв, гранулометрический анализ. Карбонатные нодули, отобранные из палеопочвенных профилей, исследовали с помощью изотопного анализа стабильных изотопов углерода и кислорода, проводимого по стандартной методике в лаборатории элементного и изотопного анализа Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета (КФУ). Расчет геохимических модулей с целью генетической интерпретации палеопочв выполняли по методике, изложенной в работах [14-16], использовали молярные доли оксидов химических элементов. Детальное описание методики лабораторных исследований приведено в работах [5, 7].
Рис. 1. Разрез отложений казанского яруса Сентяк: а - местоположение разреза на европейской территории России; б - геологическая карта Нижнего Прикамья с разрезами Сентяк и Елабуга (выделено белым); в - общий вид разреза, верхнеказанские отложения
Рис. 2. Разрез казанских отложений Сентяк с выделенными типами палеопочв (пояснения в тексте). Стратиграфические подразделения приведены согласно [9]
Результаты и их обсуждение
Вмещающими породами для палеопочв в красноцветных отложениях разреза Сентяк являются красно-бурые алевролиты, алевропелиты и алевропесчаники. На основе особенностей строения было выделено три типа палеопочв в разрезе.
Тип 1: плитчатые алевропелиты, алевролиты и алевропесчаники; мелкие плоские нодули рассеяны по профилю; редкие следы корней; почвенные горизонты не выделяются; нет сликенсайдов; глеевые пятна редкие или отсутствуют. Один из примеров палеопочв типа 1 приведен на рис. 3.
Две самостоятельные слабо развитые почвы типа 1 разделены непедогенным осадком, содержащим обломки озерных известняков, и, в целом, здесь скорость осадконакопления была выше скорости педогенеза, сохранилась слоистость пород.
Вертикальный геохимический профиль этих палеопочв, построенный по основным химическим индикаторам, показал следующее. Степень выветрелости обломочного материала (CIA) по всему профилю высокая, ее вариации соответствуют фазам накопления осадков, которые фиксируются изменением отношения Ti/Zr и изменениями гранулометрического состава по профилю (рис. 3). Минимум CIA и максимум Ebases/Al фиксируются в непедогенном голубовато-сером алевролите (горизонт D) и отражают высокую пылеватость и низкую глинистость этого слоя (рис. 3).
Тип 2: массивные вмещающие алевропелиты, алевролиты и алевропесча-ники с угловатыми почвенными блоками; отчетливые почвенные горизонты с калькретом (Bk) в средней части; частые следы корней; сликенсайды в глинистых почвах; глеевые пятна в алевропесчаных почвах; слившиеся нодули уменьшаются в размере и становятся рассеянными вниз по профилю (рис. 4). Строение этого почвенного профиля составное, в нижней части залегает незрелая почва на алев-ропесчаниках (горизонты С2-С2к) типа 1 с редкими карбонатными нодулями и красно-бурыми следами корней. Верхняя часть профиля представлена зрелой почвой типа 2 на глинистых алевролитах с ясно различимыми генетическими горизонтами и калькретом в средней части (горизонты Bssk-Bk-BCk).
CIA увеличивается вверх по профилю, что отражает степень влияния педогенеза в верхней части (рис. 4), так как гранулометрический состав здесь более грубый. Изменения отношения Ti/Zr и Ebases/Al фиксируют две фазы осадко-накопления (рис. 4).
Тип 3: массивные алевролиты и алевропесчаники с угловатыми почвенными блоками; почвенные горизонты неясно выражены или отсутствуют; следы корней обычны в верхней части профиля; небольшие нодули (до 2-3 см) уменьшаются в размере и становятся рассеянными вниз по профилю; глеевые пятна встречаются редко. Палеопочвы типа 3 перекрываются волнисто-слоистыми озерно-болотными известняками с фауной остракод и почвенной трансформацией (рис. 5). Отпечатки корней в известняках часто имеют субгоризонтальную ориентацию.
Этот почвенный профиль сформирован на алевропесчаниках, его верхняя часть эродирована и перекрыта непедогенным пестроцветным алевролитом (горизонт D). CIA остается почти одинаковой по всему профилю (рис. 5), продолжительность процесса педогенеза здесь была небольшой, его степень влияния, скорее всего, минимальна. Изменения отношения Ti/Zr и Ebases/Al фиксируют две фазы осадконакопления (рис. 5). К этому же типу относятся палеопочвы уфимского яруса разреза
О м
1,0 —
' Н'ЧЩж ж >> а л-:, ^ %,
почвенный горизонт
¿Й&К ч
Т1/гг ЕЬавев/А! 1карб 100 120 140 1.1 1.2 1.3 10 20 30
2,0
^ корни растений © карбонатные нодули блоковая отдельность ЭЭ сликенсайды
Рис. 3. Строение почвенных профилей типа 1: а - общий вид, длина кайла - 63 см, б -вертикальный геохимический профиль и гистограммы гранулометрического состава. Разрез Сентяк, верхнеказанский подъярус. Желтые точки показывают уровни отбора проб
б
в Елабуге, сформированные на алевропесчаниках и сосредоточенные в узком интервале разреза, примерно в 10-12 м ниже границы с казанским ярусом [9].
Мощности палеопочв всех типов составляют от 0.6 до 1.0 м, верхние горизонты палеопочв эродированы. Палеопочвы типа 1 преобладают в разрезе, и они очень схожи с породами, содержащими обломки карбонатных пород. В последних карбонатный гравий имеет, как правило, более окатанную форму по сравнению с педогенными нодулями и залегает вытянутыми по наслоению полосами.
По гранулометрическому составу большинство исследуемых палеопочв и осадочных пород относится к алевритам и песчанистым алевритам, согласно классификации Фолка [17], доля глинистых частиц, как правило, не превышает 12%. Микротекстура внутрипочвенной массы во всех типах почв массивная и пятнистая, обломочные зерна кварца и чешуйки слюды рассеяны в пылевато-глинистой
Рис. 4. Строение почвенного профиля типа 2: а - общий вид, б - вертикальный геохимический профиль и гистограммы гранулометрического состава. Разрез Сентяк, нижнеказанский подъярус. Условные обозначения см. на рис. 3
массе (рис. 6, а), что может свидетельствовать о перемешивании осадков корневой системой растений. В палеопочве типа 2 встречаются мелкие округлые охристые стяжения (рис. 6, а) и минерализованные фрагменты корней растений. Охристые стяжения являются признаками перераспределения железа в почвенном профиле, где в верхних горизонтах происходило растворение соединений железа и их последующий вынос и отложение в горизонте В. Карбонатные но-дули во всех типах палеопочв состоят из кальцимикрита, имеют гранулярную структуру с развитием вторичного кальцита между гранулами (рис. 6, б). Такая структура является признаком дегидратации в процессе затвердевания нодулей, развитый по трещинкам вторичный кальцит имеет диагенетическую природу.
О м
1,0 —
почвенный горизонт С1А
Шт ХЬавев/А! Екарб 100 120 1.2 1.3 30 50
\
к4_
Рис. 5. Строение почвенного профиля типа 3: а - общий вид, длина молотка - 30 см, б -вертикальный геохимический профиль и гистограммы гранулометрического состава. Разрез Сентяк, верхнеказанский подъярус. Условные обозначения см. рис. 3
Карбонатность палеопочв изменяется от 8% до 30%, в среднем составляет 15-17%. Минералогический состав обломочной компоненты представлен кварцем и кремнистыми породами, редкими зернами рудных минералов и слюдами (до 1-3%). Илистая фракция представлена хлоритом, мусковитом, смектитом, каолинитом, кварцем и альбитом. Аналогичный минеральный состав характерен и для пород, не несущих следов педогенеза. Геохимические исследования па-леопочв и непедогенных пород показали сходство их химического состава, в частности степени выветрелости, которая варьирует в пределах 70-75% в обоих типах пород (рис. 7, а). Это может свидетельствовать о едином источнике сноса обломочного материала, а также о минимальном влиянии процессов педогенеза на минеральный и химический состав пород. Расположение точек химического состава исследуемых пород между базальтами и гранитами на диаграмме
б
Рис. 6. Микроморфология палеопочв и педогенных нодулей, тип 2: а - пылевато-глинистая внутрипочвенная масса с обломочными песчаными зернами и железистыми стяжениями, б - карбонатный нодуль с основной микритовой массой и вторичным кальцитом вокруг гранул
SiO2 - CaO+MgO - N^+^0 (рис. 7, б) показывает, что источниками материала для них могли служить магматические породы среднего либо смешанного состава. Все изученные обломочные породы являются переотложенными (рецик-лизированными), что подтверждается диаграммой СаО-^^-^О (рис. 7, в).
На основе данных химического анализа силикокластики почвенных горизонтов ВСк было определено среднегодовое количество осадков по геохимическим индикаторам. Использовался индикатор ЕЬазез/А1 (ЕЬазез/А1 = + MgO +
K2O + CaO)/Al2O3) [15], применяемый к карбонатным палеопочвам. Этот индикатор показывает отношение щелочных и щелочноземельных элементов, выносимых из почвенного профиля атмосферными осадками в процессе выветривания, к глинозему, накапливающемуся при этом в почве. Таким образом, величина отношения ЕЬазез/А1 будет обратно пропорциональна количеству осадков.
Среднегодовое количество осадков Р, рассчитанное по формуле согласно [15]
Р = -259.341п (ЕЪа8е^Л1) + 759.052,
составило 624 мм/год для палеопочв типа 1, 539 мм/год для палеопочв типа 2 и 476 мм/год для палеопочв типа 3.
асую
б
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
СаО+МдО МагО+КгО
СаО
в ОО^ПС
Рис. 7. Треугольные диаграммы химического состава почвовмещающих пород разрезов Сентяк и Елабуга: а - диаграмма А1203-Са0+№20-К20, иСС - состав верхней континентальной коры, серое - область развития нормальных магматических пород, по [18]: б - диаграмма £Ю2/10-Са0+М^-№20+К20, по [19]; в - диаграмма Са0-Ыа20-К20, по [20]. Обозначения: А - андезиты, Gr - гранодиориты, G - граниты, R - рециклизиро-ванные осадки; круглые маркеры - палеопочвы, квадратные маркеры - непедогенные осадочные породы
Рис. 8. Распределение значений 513С и 5180 в педогенных карбонатах разрезов Сентяк (Р^и Р2к72) и Елабуга (Р1и) (пояснения в тексте)
Изотопный состав углерода и кислорода педогенных нодулей показал широкий разброс значений 513С и 5180 в разрезе Сентяк и близкие величины в разрезе Елабуга. В разрезе Сентяк значения 513С варьируют в пределах -7.1...-1.7%о PDB, 5180 - в диапазоне 21.6-29.7%о SM0W (рис. 8). Нижнеказанские педоген-
ные карбонаты характеризуются более тяжелым изотопным составом (-1.7%о PDB 513С и 29.7%о SMOW 5180), близким к составу нормальных морских карбонатов [21]. Это можно объяснить влиянием вод реликтового морского бассейна раннека-занского времени на формирование педогенных карбонатов либо усиленным испарением почвенных вод в процессе педогенеза, то есть некоторой аридизацией климата. Наиболее легкими по кислороду являются педогенные карбонаты уфимского яруса, которые показывают значения 16.5-20.5%о SMOW 5180 (рис. 8). С учетом преимущественно песчаного разреза уфимского яруса в Елабуге облегчение изотопного состава кислорода можно связать с заметным влиянием вод атмосферных осадков.
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. В красноцветных отложениях казанского яруса разреза Сентяк впервые описаны палеопочвенные профили и проведена их типизация на основе педо-генных признаков. Выделено три типа палеопочв. Палеопочвы типа 1 характеризуются низкой степенью зрелости и классифицируются как протосоли [12], несмотря на присутствие карбонатных нодулей. Палеопочвы типа 2 являются наиболее зрелыми и встречаются только в нижнеказанских отложениях. Они классифицируются как кальцисоли [12] благодаря хорошо выраженному горизонту Вк (калькрету). Палеопочвы типа 3 имеют среднюю степень зрелости и классифицируются как (аргиллик) кальцисоли [12], так как ведущим их признаком является присутствие карбонатных нодулей.
2. Тонкозернистые породы, вмещающие палеопочвы, интерпретируются как флювиальные осадки главным образом пойменных фаций. Геохимические особенности этих пород свидетельствуют об их высокой степени выветрелости, сформированной в процессе многократного переотложения обломочного материала. Алеврито-песчаный матрикс палеопочв и низкая выраженность оглеения являются признаками хорошей проницаемости и преимущественно автоморф-ного характера палеопочв. Такие условия могли существовать на приподнятых участках пойменных равнин, заливаемых только во время сильных паводков. Широкое развитие карбонатных нодулей во всех типах палеопочв, а также сли-кенсайдов в глинистых разностях этих почв указывает на сезонный субарид-ный/субгумидный теплый климат. Присутствие каолинита в илистой фракции палеопочв казанского яруса разреза Сентяк может указывать на более влажный климат в казанское время по сравнению с уржумским, изученным ранее по па-леопочвам уржумского яруса опорных разрезов Татарстана [4-7]. Оценка среднегодового количества осадков по геохимическим индикаторам палеопочв показала значения 476-624 мм/год, что характерно для субтропического субарид-ного/субгумидного климата, выявленного по педогенным признакам.
3. Изотопный анализ карбонатных нодулей из палеопочвенных профилей показал, что наиболее легкими по кислороду являются педогенные карбонаты уфимского яруса (16.5-0.5%о SMOW 5180), наиболее тяжелыми - педогенные карбонаты нижнеказанского подъяруса (29.7%о SMOW 5180). Облегчение изо-
топного состава можно объяснить относительно более гумидным климатом в уфимское время по сравнению с раннеказанским.
4. Небольшая мощность почвенных профилей (< 1 м) и их низкая степень зрелости в верхнеказанских отложениях указывают на то, что скорость седиментации превышала скорость педогенеза и формирующиеся почвы размывались и перекрывались новыми осадками.
Литература
1. Наугольных С.В. Палеопочвы перми и раннего триаса // Климат в эпохи крупных биосферных перестроек / Под ред. Семихатова М.А., Чумакова Н.М. - М.: Наука, 2004. - С. 221-229.
2. Наугольных С.В. Казанская и татарская растительность пермского периода // Геологические памятники природы Республики Татарстан / Под ред. И.А. Ларочкиной. -Казань: Акварель-Арт, 2007. - С. 236-254.
3. Иноземцев С.А., Наугольных С.В., Якименко Е.Ю. Верхнепермские палеопочвы на известняках: Морфология и генезис (среднее течение р. Волга) // Почвоведение. -2010. - № 6. - С. 660-674.
4. Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V., Khasanova N.M., Nizamutdinov N.M., Tri-fonov A.A. Red paleosols in the key sections of the Middle and Upper Permian of the Kazan Volga region and their paleoclimatic significance // Paleontol. J. -2015. - V. 49, No 10. - P. 1150-1159. - doi: 10.1134/S0031030115110064.
5. Муравьев Ф.А., Арефьев М.П., Силантьев В.В., Гареев Б.И., Баталин Г.А., Ура-заева М.Н., Кропотова Т.В., Выборнова И.Б. Палеогеографические условия накопления красноцветных алевропелитов средней-верхней перми на территории Казанского Поволжья // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2016. - Т. 158, кн. 4. - С. 548-568.
6. Mouraviev F.A, Silantiev V.V, Gareev B.I, Batalin G.A., Vybornova I.B. Paleosols from the Urzhumian (Middle Permian) reference section, Kazan Volga region, Russia // Int. Multidiscip. Sci. GeoConf. Surv. Geol. Min. Ecol. Manage., SGEM. - 2018. - V. 18, No 1.1. - P. 387-394.
7. Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V., Eskin A.A., Kropotova T.V. Paleosols and host rocks from the Middle-Upper Permian reference section of the Kazan Volga region, Russia: A case study // Palaeoworld. - 2020. - V. 29, No 2. - P. 405-425. - doi: 10.1016/j.palwor.2019.05.004
8. Силантьев В.В., Жарков И.Я., Сунгатуллин Р.Х., Хасанов Р.Р. Международный симпозиум «Верхнепермские стратотипы Поволжья». Путеводитель геологической экскурсии. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1998. - 79 с.
9. Nurgaliev D.K., Silantiev V. V., Nikolaeva S. V. (Eds.) Type and Reference Sections of the Middle and Upper Permian of the Volga and Kama River Regions. A Field Guidebook of XVIII Int. Congr. on Carboniferous and Permian. - Kazan: Kazan Univ. Press, 2015. -208 p.
10. Сементовский Ю.В. Условия образования месторождений минерального сырья в позд-непермскую эпоху на востоке Русской платформы. - Казань: Тат. кн. изд-во, 1973. -256 с.
11. Retallack G.J. Paleosols and applications // Reinhardt J., Sigleo W.R. (Eds.) Field Recognition of Paleosols. - Geol. Soc. Am. Spec. Pap., 1988. - Art. 216, P. 1-21. - doi: 10.1130/SPE216-p1.
12. Mack G.H., James W.C., Monger H.C. Classification of paleosols // Geol. Soc. Am. Bull. - 1993. - V. 105, No 2. - P. 129-136. - doi: 10.1130/0016-7606(1993)105<0129:COP>2.3.CO;2.
13. Retallack G.J. A pedotype approach to latest Cretaceous and earliest Tertiary paleosols in eastern Montana // Geol. Soc. Am. Bull. - 1994. - V. 106, No 11. - P. 1377-1397. - doi: 10.1130/0016-7606(1994)106<1377:APATLC>2.3.C0;2.
14. Nesbitt H.W., Young G.M. Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites // Nature. - 1982. - V. 299. - P. 715-717. - doi: 10.1038/299715a0.
15. Sheldon N., Retallack G., Tanaka S. Geochemical climofunctions from North American soils and application to paleosols across the Eocene-Oligocene boundary in Oregon // J. Geol. - 2002. - V. 110, No 6. - P. 687-696. - doi: 10.1086/342865.
16. Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols // Earth-Sci. Rev. - 2009. - V. 95, No 1-2. - P. 1-52. - doi: 10.1016/j.earscirev.2009.03.004.
17. Folk R.L. Petrology of Sedimentary Rocks. - Austin, Tex.: Hemphill Publ. Co., 1980. -184 p.
18. Fedo C.M., Nesbitt H. W., Young G.M. Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols, with implications for paleoweathering conditions and provenance // Geology. - 1995. - V. 23, No 10. - P. 921-924. - doi: 10.1130/0091-7613(1995)023<0921:UTEOPM>2.3.CO;2.
19. Летникова Е.Ф., Вещева С.В., Прошенкин А.И., Кузнецов А.Б. Неопротерозойские терригенные отложения Тувино-Монгольского массива: геохимическая корреляция, источники сноса, геодинамическая реконструкция // Геология и геофизика. -2011. - Т. 52, № 12. - С. 2110-2121.
20. Bhatia M.R. Plate tectonics and geochemical composition of sandstones // J. Geol. -1983. - V. 91, No 6. - P. 611-627. - doi: 10.1086/628815.
21. Фор Г. Основы изотопной геологии. - М.: Мир, 1989. - 590 с.
Поступила в редакцию 23.08.2022
Муравьев Федор Александрович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры общей геологии и гидрогеологии
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: fedor.mouraviev@kpfu.ru
Кропотова Татьяна Владимировна, старший преподаватель кафедры теории относительности и гравитации
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: Tatyana.Kropotova@kpfu.ru
Гареев Булат Ирекович, директор научно-исследовательского центра ГеоЛаб
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: bulat@gareev.net
Баталин Георгий Александрович, инженер-исследователь научно-исследовательского центра ГеоЛаб
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: g@batalin.com
ISSN 2542-064X (Print) ISSN 2500-218X (Online)
UCHENYE ZAPISKI KAZANSKOGO UNIVERSITETA. SERIYA ESTESTVENNYE NAUKI (Proceedings of Kazan University. Natural Sciences Series)
2022, vol. 164, no. 4, pp. 590-605
ORIGINAL ARTICLE
doi: 10.26907/2542-064X.2022.4.590-605
Paleosols from the Kazanian Red Beds of the Sentyak Section, Russia
F.A. Mouraviev", T.V. Kropotova**, B.I. Gareev***, G.A. Batalin ***
Kazan Federal University, Kazan, 420008 Russia E-mail: fedor.mouraviev@kpfu.ru, Tatyana.Kropotova@kpfu.ru, bulat@gareev.net,
g@batalin.com
Received August 23, 2022
Abstract
This article summarizes the results of a comprehensive study of paleosol profiles in the Lower Kama Region - from the Kazanian reference section near Sentyak and from the reference section of the boundary deposits of the Ufimian and Kazanian in Elabuga. The paleosol profiles in the Kazanian deposits were identified, and their features were analyzed to reconstruct the paleoclimatic and paleolandscape conditions. The following three types of paleosols were singled out, differing from one another in their degree of development and pedogenic features: Protosols and moderately and strongly developed Calcisols. The latter proved to be characteristic only of the Lower Kazanian deposits. Based on the obtained sedimentological and paleontological characteristics of the host rocks, the fluviolacustrine depositional settings were reconstructed. The pedofeatures of the paleosols (slickensides, carbonate nodules) indicate a seasonally warm climate. The mean annual precipitation inferred from the geochemical indices of the paleosol profiles is 539 and 476 mm/yr for the Lower and Upper Kazanian paleosols, respectively, which, along with the pedofeatures, is indicative of a subhumid/semiarid climate. The oxygen isotopic composition of the carbonate nodules from the paleosols reflects some aridization of the climate in the Early Kazanian (29.7%o SMOW S18O) compared to the Ufimian (18.7%o SMOW S18O) and Late Kazanian (22.3%o SMOW S18O) times. The lack of gley features argues for the automorphic character of the paleosols, while their small thickness, truncated upper horizons, and weak development in the Upper Kazanian deposits suggest that the rate of sedimentation exceeded the rate of soil formation.
Keywords: paleosol, carbonate nodules, Kazanian, Ufimian, geochemical indices, carbon and oxygen isotopes
Figure Captions
Fig. 1. Kazanian deposits of the Sentyak section: a - geographical location of the section in European Russia; b - geological map of the Lower Kama Region, the Sentyak and Elabuga sections marked by white stripes, c - general view of the Sentyak section, Upper Kazanian deposits.
Fig. 2. The sequence of the Kazanian deposits of the Sentyak section with the identified paleosol types (see the text for details). Stratigraphic subdivisions are given according to [9].
Fig. 3. Type 1 paleosol: a - general view, pick length 63 cm; b - vertical geochemical profile and histograms of the grain size composition. Sentyak section, Upper Kazanian. The sampling levels marked by yellow circles.
Fig. 4. Type 2 paleosol: a - general view; b - vertical geochemical profile and histograms of the grain
size composition. Sentyak section, Lower Kazanian. See Fig. 3 for the legend. Fig. 5. Type 3 paleosol: a - general view, hammer length 30 cm, b - vertical geochemical profile and histograms of the grain size composition. Sentyak section, Upper Kazanian. See Fig. 3 for the legend. Fig. 6. Micromorphology of the paleosols and pedogenic nodules, Type 2: a - silty-clayey intraped mass with detrital sand grains and ferruginous nodules; b - carbonate nodule with micritic matrix and secondary calcite around the clots.
604
o.a. mypabbeb h gp.
Fig. 7. Ternary plots of the chemical composition of the paleosols from the Sentyak and Elabuga sections: a - Al2O3-CaO+Na2O-K2O plot, UCC - upper continental crust composition, gray region indicates the range of composition of normal igneous rocks, according to [19]; b -SiO2/10-CaO+MgO-Na2O+K2O plot, by [20]; c - CaO-Na2O-K2O plot, by [18]. Figure legend: A - andesites, Gr - granodiorites, G - granites, R - recycled sediments; the paleosols marked by circles, non-pedogenic rocks marked by squares.
Fig. 8. Distribution of S13C and S18O values in pedogenic carbonates from the Sentyak (P2kz1 and P2kz2) and Elabuga (P1u) sections (see the text for details).
References
1. Naugolnykh S.V. Paleosols of the Permian and Early Triassic. In: Klimat v epokhi krupnykh biosfernykhperestroek [Climate in the Epochs of Major Biospheric Transformations]. Semikhatov M.A., Chumakov N.M. (Eds.). Moscow, Nauka, 2004, pp. 221-229. (In Russian)
2. Naugolnykh S.V. Kazanian and Tatarian plants of the Permian period. In: Larochkina I.A. (Ed.) Geologicheskie pamyatniki prirody Respubliki Tatarstan [Geological Heritage of the Republic of Tatarstan]. Kazan, Akvarel'-Art, 2007, pp. 236-254. (In Russian)
3. Inozemtsev S.A., Naugolnykh S.V., Yakimenko E.Yu. Upper Permian paleosols developed from limestone in the middle reaches of the Volga River: Morphology and genesis. Eurasian Soil Sci., 2011, vol. 44, no. 6, pp. 604-617. doi: 10.1134/S1064229311060068.
4. Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V., Khasanova N.M., Nizamutdinov N.M., Trifonov A.A. Red paleosols in the key sections of the Middle and Upper Permian of the Kazan Volga region and their paleoclimatic significance. Paleontol. J., 2015, vol. 49, no. 10, pp. 1150-1159. doi: 10.1134/S0031030115110064.
5. Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V., Gareev B.I., Batalin G.A., Urazaeva M.N., Kropotova N.V., Vybornova I.B. Paleogeography of accumulation of the Middle-Upper Permian red mudstones in the Kazan Volga Region. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2016, vol. 158, no. 4, pp. 548-568. (In Russian)
6. Mouraviev F.A., Silantiev V.V., Gareev B.I., Batalin G.A., Vybornova I.B. Paleosols from the Urzhumian (Middle Permian) reference section, Kazan Volga region, Russia. Int. Multidiscip. Sci. GeoConf. Surv. Geol. Min. Ecol. Manage., SGEM, 2018, vol. 18, no. 1.1, pp. 387-394.
7. Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V., Eskin A.A., Kropotova T.V. Paleosols and host rocks from the Middle-Upper Permian reference section of the Kazan Volga region, Russia: A case study. Palaeoworld, 2020, vol. 29, no. 2, pp. 405-425. doi: 10.1016/j.palwor.2019.05.004.
8. Silantiev V.V., Zharkov I.Ya., Sungatullin R.Kh., Khassanov R.R. Mezhdunarodnyi simpozium "Verkhnepermskie stratotipy Povolzh'ya". Putevoditel' geologicheskoi ekskursii [International Symposium "Upper Permian Stratotypes of the Volga Region." A Geological Excursion Guidebook]. Kazan, Izd. Kazan. Univ., 1998. 79 p. (In Russian)
9. Nurgaliev D.K., Silantiev V.V., Nikolaeva S.V. (Eds.) Type and Reference Sections of the Middle and Upper Permian of the Volga and Kama River Regions. A Field Guidebook of XVIII Int. Congr. on Carboniferous and Permian. Kazan, Kazan Univ. Press, 2015. 208 p.
10. Sementovskii Yu.V. Usloviya obrazovaniya mestorozhdenii mineral'nogo syr'ya v pozdnepermskuyu epokhu na vostoke Russkoi platformy [Conditions for the Formation of Mineral Deposits during the Late Permian in the East of the Russian Platform]. Kazan, Tatar. Kn. Izd., 1973. 256 p. (In Russian)
11. Retallack G.J. Paleosols and applications. In: Reinhardt J., Sigleo W.R. (Eds.) Field Recognition of Paleosols. Geol. Soc. Am., Spec. Pap., 1988, art. 216, pp. 1-21. doi: 10.1130/SPE216-p1.
12. Mack G.H., James W.C., Monger H.C. Classification of paleosols. Geol. Soc. Am. Bull., 1993, vol. 105, no. 2, pp. 129-136. doi: 10.1130/0016-7606(1993)105<0129:COP>2.3.CO;2.
13. Retallack G.J. A pedotype approach to latest Cretaceous and earliest Tertiary paleosols in eastern Montana. Geol. Soc. Am. Bull., 1994, vol. 106, no. 11, pp. 1377-1397. doi: 10.1130/0016-7606(1994)106<1377:APATLC>2.3.CO;2.
14. Nesbitt H.W., Young G.M. Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites. Nature, 1982, vol. 299, pp. 715-717. doi: 10.1038/299715a0.
15. Sheldon N., Retallack G., Tanaka S. Geochemical climofunctions from North American soils and application to paleosols across the Eocene-Oligocene boundary in Oregon. J. Geol., 2002, vol. 110, no. 6, pp. 687-696. doi: 10.1086/342865.
16. Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols. Earth-Sci. Rev., 2009, vol. 95, nos. 1-2, pp. 1-52. doi: 10.1016/j.earscirev.2009.03.004.
17. Folk R.L. Petrology of Sedimentary Rocks. Austin, Tex., Hemphill Publ. Co., 1980. 184 p.
18. Fedo C.M., Nesbitt H.W., Young G.M. Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols, with implications for paleoweathering conditions and provenance. Geology,, 1995, vol. 23, no. 10, pp. 921-924. doi: 10.1130/0091-7613(1995)023<0921:UTE0PM>2.3.C0;2.
19. Letnikova E.F., Proshenkin A.L., Veshcheva S.V., Kuznetsov A.B. Neoproterozoic terrigenous deposits of the Tuva-Mongolian massif: Geochemical correlation, sourcelands, and geodynamic reconstruction. Russ. Geol. Geophys., 2011, vol. 52, no. 12, pp. 1662-1671. doi: 10.1016/j.rgg.2011.11.013.
20. Bhatia M.R. Plate tectonics and geochemical composition of sandstones. J. Geol., 1983, vol. 91, no. 6, pp. 611-627. doi: 10.1086/628815.
21. Faure G. Osnovy izotopnoi geologii [Principles of Isotope Geology]. Moscow, Mir, 1989. 590 p. (In Russian)
Для цитирования: Муравьев Ф.А., Кропотова Т.В., Гареев Б.И., Баталин Г.А. Палео-почвы красноцветных отложений казанского яруса разреза Сентяк // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2022. - Т. 164, кн. 4. - С. 590-605. - doi: 10.26907/2542-064X.2022.4.590-605.
For citation: Mouraviev F.A., Kropotova T.V., Gareev B.I., Batalin G.A. Paleosols from the Kazanian red beds of the Sentyak section, Russia. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universi-teta. Seriya Estestvennye Nauki, 2022, vol. 164, no. 4, pp. 590-605. doi: 10.26907/2542-064X.2022.4.590-605. (In Russian)
