CC BY
41
Vestnik IG Komi SC UB RAS, September, 2014, № 9
УДК: 550.423, 551.762.3
РЕКОНСТРУКЦИЯ ПАЛЕОФАЦИЙ В ОКСФОРДЕ 00 ИЗОТОПНЫМ ДАННЫМ (НА ПРИМЕРЕ ОБНАЖЕНИЯ МАКАРЬЕВ-ЮЖНЫЙ]
О. С. Ветошкина, С. В. Лыюров
Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар [email protected] [email protected]
Показаны возможности совместного применения изотопии углерода органического вещества (S13Copr) и карбонатных углерода (813Скар6) и кислорода (818Окарб) для изучения палеообстановки в точке наблюдения Макарьев-Южный при формировании карбонатных, высокоуглеродистых отложений и макрофауны в оксфордском периоде. Совокупность изотопных данных позволяет заключить, что в течение раннего 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.
Ключевые слова: юрская система, оксфордский ярус, карбонатные отложения, высокоуглеродистые породы, белемниты, пале-отемпература.
RECONSTRUCTION OF OXFORDIAN PALAEOFACIES ACCORDING TO ISOTOPIC DATA (AN EXAMPLE FROM MAKARYEV-SOUTH OUTCROP]
O. S. Vetoshkina, S. V. Lyurov
Institute of Geology of Komi Science Centre, Syktyvkar
The paper demonstrates the possibility of using carbon (S13Ccarb), oxygen (S18Ocarb) isotopes in studies of depositional conditions of Oxfordian highly carbonaceous and calcareous sediments, and macrofauna, in the Makaryev-South section. Results of our sedimentological, palaeontological and isotope studies suggest that in Early-Middle Oxfordian climatic and/or facies conditions changed considerably. Keywords: Jurassic, Oxfordian, carbonate deposits, carbon-rich rocks, belemnita, palaeotemperature.
Введение
Изотопный состав кислорода (5180) и углерода (813С) 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 813Сорг органического вещества из пород и изотопных отношений 813Скарб и 818Окарб 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 ЕА-ЖМБ) 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 813С и 8180 была не ниже ±0.15 %0. Величины 8180 и 813С представлены относительно международного стандарта У-РБВ.
Определение содержания органического углерода (аналитик С. А. Забоева) выполнено методом автоматического кулонометриче-ского титрования по величине рН на углерод с помощью экспресс-анализатора АН-7529М.
3 -
2 "
1 -
£ Л
д А
А л
Дд
Д АдД
ДД^Ш. ,
м
М «
о ■
м
■о -2 --3 --4 ■ -5 ■ -6
0 1 2 3 4 5
813С, %о РБВ
Рис. 1. Зависимость величин 813С и 8180 изотопного состава карбонатных углерода и кислорода в белемнитах и породах из обнажения Макарьев-Южныш
Л белемниты ■ порода
Дополнительно белемниты были исследованы методами ЭПР [8], РФА (аналитик С. Т. Неверов) и оптическими способами, чтобы уточнить степень влияния постседимен-тационных 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 813Скарб от 2.3 до 4.3 %о (в среднем 3.4 %) и значениями 8180кар6 от -5.5 до 1.9 %. Величины 813Скарб 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 % (в среднем 2.3 %).
На кривой изменения величин 813Скарб пород наблюдаются близкие значения 813Скарб 3.5^4 % в нижнем и среднем оксфорде, которые уменьшаются до 2.5 % около границы между средним и верхним оксфордом и в верхнем оксфорде. Установлено, что слой с наиболее высоким содержанием органиче-
ла: нижний оксфорд, нижний-средний 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 8180карб ~ 3—4 %. В верхней части разреза У3ох3) до кровли исследованного интервала тренд меняется на негативный (рис. 2, Б).
Отношения изотопов углерода органического вещества (813Сорг) из образцов пород изученного разреза варьируют от —26.5 до —23.2 % (рис. 2, Г). На кривой изменения величин 813Сорг зарегистрирован широкий (долговременный) позитивный экскурс в конце нижнего и начале среднего оксфорда, не связанный с отложениями, обогащенными органическим веществом. При этом величины 813Сорг увеличиваются от —25.6 до —23.2 %. Экскурсы на кривых изменения величин 813Сорг (рис. 2, Г) и 813Скарб морских карбонатов (рис. 2, А) в том же самом разрезе не совпадают.
ского вещества (Сорг до 15.12 %) совпадает с минимальными величинами 813Скарб (рис. 2, В).
Амплитуда изменения соотношения изотопов углерода белемнитов больше, чем пород, почти в два раза (рис. 2, А). На кривой изменения величин 813Скарб белемнитов наблюдается цикличность. Небольшие отрицательные экскурсы величин 813Скарб с амплитудами 1—2 % прослеживаются в нижнем оксфорде, на предполагаемой границе среднего и верхнего оксфорда и в позднем оксфорде.
Зарегистрирован большой разброс величин 8180карб пород (рис. 2, Б). Карбонаты верхней части разреза У3ох3) обеднены по сравнению с нижней частью. Кроме того, установлены два заметных изотопных события, в которых величины 8180карб резко снижаются до -5.5 % и -3.6 %. Причем прослеживается связь между наиболее отрицательными экскурсами изотопного состава кислорода и высоким содержанием Сорг (рис. 2, Б, В).
Показатели 8180карб белемнитов (рис. 2, Б) изменяются в диапазоне от -2.25 до 3.4 %. Кривую изменения величин 8180карб можно условно разделить на три интерва-
Обсуждение
Значения 813С
карб
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 813Скарб белемнитов и вмещающих пород можно рассматривать как результат процессов диагенеза, происходящих при формировании породы в стадии метаноге-нерации. Выделение метана может вызвать повышение 813Скарб 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 813Скарб на предполагаемой границе среднего и верхнего оксфорда.
1 м_
О _
I-1-1-1-1-1-1-1
-2 -1 (¡) 1 2 3 4 5
4»
Л Л^
д^
Л ДА *1
=2?
I—I—|—I—I—I—I—I
-2 -1 0 1 2 3 4 5
5 "С, %« РОВ
I-1-1-1-1-1-1-1-1-1
-5-4-3-2-10 1 2 3 4
д д
=м=
НА
=й=
д дд
Д «¿'.'"д
□
I-1-1-1-1-1-1-1
-5 -4 -3 -2-10 1 2 5,80, %» РОВ
|-1-1-1-1
<¡>1234
I-1-1-1-1-1-1-1
-29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22
□
□
• 1(?06 %
в**
в
I-1-1-1-1
0 12 3 4
I-1-1-1-1-1-1-1
-29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22
1 Д 2
4 5
6
Рис. 2. Изотопный состав углерода органического вещества (513Сорг), углерода (513Скарб) и кислорода (518Окарб) 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 отрицательно -го 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 8180карб 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 8180карб сопровождалось увеличением количества арктических аммонитов на Русской платформе.
Рассчитанные по изотопному составу кислорода белемнитов па-леотемпературы в нижнем-среднем оксфорде изменялись от 1 до 16 °С. Как видно, в части разреза, соответствующей кровле нижнего и среднему оксфорду, зарегистрированы слишком высокие значения 8180карб, которые дают нереально низкие (1—2 °С) расчетные изотопно-кислородные палеотем-пературы морской воды (рис. 2, Б), согласно уравнению равновесия по кальциту. Похолодание весьма вероятно, но сомнительной является величина температур. Скорее всего, такие высокие величины
8180карб могли быть показателем региональных или глобальных изменений изотопного состава кислорода морской воды (8180в) в результате уменьшения поступления поверхностных вод и атмосферных осадков в бассейн. Величины 8180карб, полученные по форами-ниферам из нижней части разреза (нижний-средний оксфорд), дают диапазон расчетных температур от 6.5 до 17.1 °С (в среднем 9.5 °С) [5], которые кажутся более правдоподобными, чем температура, вычисленная по белемнитам. Разница показателей 8180карб, 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 палеотемпе-ратур с использованием величины 8180в 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 8180 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 бо-реальные, то суббореальные и суб-тетические таксоны.
Что касается причин появления двух заметных отрицательных экскурсов на кривой изменения 8180карб, достигающих —5.5 и —3.6 %, то такие низкие соотношения изотопов в слоях, обогащенных органическим веществом [7 и др.], не могут быть связаны с повышением температуры. Незрелость органического вещества и необезвоживание глин [3,10,20] исключают влияние высокой температуры в диагенезе. Наиболее вероятная причина понижения величин
не только ^^^ но и 818°карб 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 813С б и
Я18О 0 Окарб.
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 813Сорг органического вещества и изотопного состава кислорода, представленные в этом исследовании, выявляется небольшое различие в положении позитивного смещения: экскурс на кривой соотношения изотопов углерода Сорг заканчивается в разрезе ниже, чем на кривой величин S180^.
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 S180 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 сульфат-редукции мог приводить к формированию карбоната с очень низкими значениями S180.
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.
Veaùtck IG Komi SC UB RAS, September, 2014, № 9
Литература
1. Барское И. С., Кияшко С. И. Изменения термического режима юрского морского бассейна ВосточноЕвропейской платформы на рубеже кел-ловей/оксфорд по данным анализа стабильных изотопов в рострах белемнитов // Доклады АН. 2000. Т. 372. № 4. С. 507— 509.
2. Борщееский Ю. А, Степаноеа Н. А.. Микробиально-диагенетические процессы как причина возникновения изотоп-но-углероднык аномалий осадочный карбонатов // ДАН СССР. 1978. Т. 242. № 5. С. 1177—1180.
3. Бушнее Д. А, Щепетоеа Е. В., Лыюрое С. В. Геохимия оксфордских высокоуглеродистых отложений Русской плиты // Литология и полезные ископаемые 2006. № 5. С. 1—14.
4. Ветошкина О. С., Голубееа И. И. «Метановый» графит в позднеархейских кристаллических сланцах (Кольский полуостров) // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2012. № 4. С. 14—17.
5. Ветошкина О. С., Лыюрое С. В., Бушнее Д. А.. Изотопный состав углерода и кислорода юрских фораминифер в бассейне р. Унжи // Доклады АН. 2014. Т. 454. № 1. С. 73—76.
6. Ветошкина О. С., Лыюрое С. В. Данные по изотопному составу кислорода и углерода карбонатов из оксфордских отложений в бассейне р. Унжа // Геология и минеральные ресурсы Европейского Северо-Востока России: Материалы XVI геол. съезда Респ. Коми. Т. 2. 15—17 апр. 2014, Сыктывкар. 2014. С. 286—287.
7. Ветошкина О. С., Лыюрое С. В., Макеее Б. А. Изотопные свидетельства условий формирования и преобразования верхнеюрских фоссилий. Минеральный мир: структура, разнообразие, конституция минералов, кри-сталлогенезис и минералообразование, биоминеральные взаимодействия, эволюция минералообразующих процессов. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2012. С. 290—310.
8. Лютоее В. П., Ветошкина О. С. Диагностика седиментационной сохран-
ности карбоната ростра белемнитов методом ЭПР. Минеральный мир: структура, разнообразие, конституция минералов, кристаллогенезис и минероалообразова-ние, биоминеральные взаимодействия, эволюция минералообразующих процессов. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2012. С. 310-325.
9. Dera G, Brigaud B, Monna F., Laffont R., Puceat E, Deconinck J.-F, Pellenard P., Joachimski M. M, Durlet Ch. Cl imaticupsanddownsinadisturbedJurassicwo rld. Geology. 2011. V. 39. № 3. P. 215-218.
10. Hantzpergue P., Baudin F., Mitta V. et al. The Upper Jurassic of the Volga basin: ammonite biostratigraphy and occurrence of organic-carbon rich facies. Correlations between boreal-subboreal and submediterranean provinces // Memoires du Museum national d'Histoirenaturelle. 1998. V. 179. P. 9-33.
11. Jenkyns H. C., Jones C. E., Grocke D. R., Hesselbo S. P, Parkinson D. N. Chemostratigraphy of the Jurassic System: applications, limitations and implications for palaeoceanography // J. Geol. Soc., London, 2002. 159. 4.P. 351-378.
12. Jenkyns H. C. Relative sea-level change and carbon isotopes: data from the Upper Jurassic (Oxfordian) of central and southern Europe. Terra Nova. 1996. V. 8. P. 75-85.
13. Korte C, Hesselbo S. P, Jenkyns H. C, Rickaby R E. M, Spufi C. Palaeoenvironmental significance of carbon-and oxygen-isotope stratigraphy of marine Triassic—Jurassic boundary sections in SW Britain // Journal of the Geological Society. 2009.V. 166.Issue.3. P. 431-45
14. Lrecuyer C, Picard S, Garcia J.-P, Sheppard S. M. F., Grandjean P. and Dromart G. Thermal evolution of Tethyan surface waters during the Middle-Late Jurassic: Evidence from 818O values of marine fish teeth, Paleoceanography. 2003. 18. 1076.
15. Padden M. Late Jurassic Paleoceanography: Evidence from Stable Isotopes and Carbonate Sedimentology // A dissertation submitted to the swiss federal institute of technologyzbrich for the degree of Doctor of Natural Sciences Master of
Science, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada, 2001.
16. Padden M., Weissert H, deRafelis M. Evidence for Late Jurassic release of methane from gas hydrate: Geology, 2001. V. 29. P. 223-226.
17. Padden M, Weissert H, Funk H, Schneider S., Gansner C. Late Jurassic lithological evolution and carbon-isotopen stratigraphy of the western Tethys. Eclogae Geologicae Helvetiae, 2002. 95. P. 333-346.
18. Podlaha O. G, Mutterlose J., Veizer J. Preservation of delta O-18 and delta C-13 in belemnite rostra from the Jurassic Early Cretaceous successions. American Journal of Science. 1998. 298. 534.
19. Price G. D, Rogov M. A. An isotopic appraisal ofthe Late Jurassic greenhouse phase in the Russian Platform // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2009. V. 273. P. 41-49.
20. Riboulleau A, Baudin F., Daux V., Hantzpergue P., Renard M., Zakharov V. Évolution de la paléotempérature de eaux de la plate-forme russe au cours du Jurassique supérieur. Comptes Rendus de lAcadémie des Sciences Série. 1998. II. V. 326. P. 239-246.
21. Rogov M. A., Kiselev D. N. Signature of the climatic changes in the ammonite and spore-pollen assemblades and their comparison with paleotemperature data from Late Callovian till Early Oxfordian // Mesosoic paleoceanography in response to paleogeography and paleoclimatic for cings. Paris, Abstract volume. 2003. P. 39.
22. Sahagian D., Pinous O., Olferiev A, Zakharov V., Beisel A.. Eustatic curve for the Middle Jurassic through Cretaceous based on Russian Platform and Siberian stratigraphy: Zonal resolution. American Association of Petroleum Geologists Bulletin. 1996. 80. P. 1433-1458.
23. Weissert H, Mohr H. Late Jurassic climate and its impact on carbon cycling. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 1996. 122. P. 27-43.
Рецензенты к. г.-м. н. Э. С. Щербаков, доктор геологии П. Мянник
