CC BY
15
УДК 552.147
Ю.В. Ростовцева1, А.И. Рыбкина2, А.Ю. Соколова3
УСЛОВИЯ СЕДИМЕНТАЦИИ КОНКСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ ТАМАНСКОГО ПОЛУОСТРОВА4
В ходе изучения литологического строения конкских отложений Тамани наряду с преобладающим накоплением глин выявлено формирование двух типов карбонатных осадков планктоногенного и бентосогенного генезиса. Установлен изотопный состав карбонатов, имеющих разное происхождение. В результате исследования магнитной восприимчивости пород получены данные о астрономической цикличности толщ. Используя статистические методы, включающие построение Lomb-Scargle и REDFIT периодограмм, в изучаемых отложениях выявлены циклы, связанные с долгопериодными колебаниями инсоляции.
Ключевые слова: средний миоцен, Восточный Паратетис, конкский региоярус, скорость седиментации, терригенное и карбонатное осадконакопление, циклостратиграфия.
Based on study of the lithology of the Taman Konkian, reflecting the accumulation of mainly clays, the two types carbonate rocks related to planktonogenic and microbial sediments were determined. Planktonogenic and microbial carbonate rocks have different carbon and oxygen isotopic compositions. Based on statistical processes, including Lomb-Scargle and REDFIT periodograms, cyclicities related to solar forcing were detected.
Key words: Middle Miocene, Eastern Paratethys, Konkian, sedimentation rate, terrigenous and carbonate sedimentation, cyclostratigraphy.
Введение. Несмотря на то что конкские отложения Причерноморья содержат остатки морских видов флоры и фауны, до сих пор их сопоставление с общей стратиграфической шкалой вызывает ряд вопросов [Невесская и др., 2004]. По наличию в этих толщах нанопланктона нерасчлененных зон N№-NN7 считается, что конкский региоярус среднего миоцена в Восточном Паратетисе отвечает нижней части серравалия Средиземноморья и верхам бадена (коссовею) в Центральном Паратетисе [Невесская и др., 2004; Попов и др., 2013]. Возраст границ конкского региояруса точно не определен. Предполагается, что накопление конкских отложений могло происходить с 13,8—13,4 по 13,0—12,1 млн лет назад (л.н.) [Невесская и др., 2004; Попов и др., 2013; Ра1си й а1., 2017]. По мнению В.М. Трубихина [Невесская и др., 2004], веселянские и сартаганские слои конкских отложений отвечают хрону С5Ап (временному отрезку длительностью около 425 тыс. лет — с 12,474 по 12,049 млн л.н.) общей магнитостратиграфической шкалы. Согласно новым данным [Ра1си й а1., 2017] верхняя и нижняя границы конкского региояруса (включая картвельские слои) датируются 12,65 и 13,4 млн лет соответственно. Веселянские и сар-таганские слои накапливались в течение ~240 тыс. лет (примерно с 12,89 по 12,65 млн л.н.). При
оценке длительности формирования отложений необходимо учитывать особенности условий седиментации, анализ которых позволяет определять степень полноты геологической летописи, а также рассчитывать скорость осадконакопления. Целью исследований было восстановление режимов седиментации конкских отложений, вскрытых непрерывной полосой в разрезе горы Зеленского на Таманском п-ове между караганскими и сарматскими породами и представленных относительно глубоководными глинистыми и известковыми осадками без видимых следов значительных перерывов.
Объект и методы исследования. Разрез горы Зеленского, в котором вскрыты изучаемые конкские отложения, расположен на черноморском побережье Таманского п-ова вблизи пос. Волна ^ 45°13'54.6''; Е 36°65'21.7''). Здесь конкские отложения мощностью около 22—23 м представлены глинами, содержащими отдельные прослои карбонатных пород (до 0,2—0,3 м). По микропалеонтологическим данным в рассматриваемых отложениях выделяются картвельские (~16 м), сартаганские (~2—2,5 м) и веселянские (~4—4,5 м) слои [Вернигорова и др., 2006; Ра1си й а1., 2017]. В ходе исследования в полевых условиях составлено детальное послойное описание изучаемых толщ,
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра нефтегазовой седиментологии и морской геологии, зав. кафедрой; e-mail: [email protected]
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук, зам. директора; e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра нефтегазовой седиментологии и морской геологии, бакалавр; e-mail: [email protected]
4 Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проект № 17-05-01085).
Рис. 1. Литологическое строение и общий вид конкских отложений миоцена, вскрытых в разрезе горы Зеленского на Таманском по-ве. Стратиграфическое расчленение, датирование возраста и полярность пород по [Palcu et al., 2017]: 1—2 — глины слабоиз-вестковистые (1) и известковистые (2); 3—5 — карбонаты: микробиальные (3), кокколитовые (4) и сильнодоломитизированные
(5); 6 — места отбора проб карбонатов для изотопного анализа
а также сделаны замеры магнитной восприимчивости пород непрерывно через каждые 20 см (вкрест простирания слоев) каппаметром КТ-5 («Geofyzika BRNO», Чехия). В дальнейшем отложения были изучены в шлифах с помощью электронной микроскопии и методами циклостратиграфии, а также были сделаны рентгеноструктурный и изотопный анализы в лабораториях геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Циклостратигра-фические исследования проводились по методике [Weedon, 2003].
Литологическое строение отложений. По особенностям литологического строения рассматриваемые конкские отложения можно подразделить на четыре основных слоя снизу вверх по разрезу (рис. 1).
Слой 1. Переслаивание пачек глин (0,8—1,7 м) и карбонатных прослоев (до 0,35 м). Глины слабоизвестковистые (в нижней части около 5% СаС03, в верхней — до 10%), темно- и серо-зеленые, тонкослоистые. Карбонатные прослои тонкозернистые, обычно вторично доломитизи-
рованные. В кровле слоя выделяются два карбонатных прослоя (до 0,2 м), которые разделены интервалом известковых глин (0,25 м). Мощность слоя 13 м.
Слой 2. Глины известковистые (СаС03 ~15%) серо-зеленые, тонкослоистые, с отдельными прослоями карбонатных (до 0,2 м) доломитизирован-ных и пелитоморфных пород. На интервале около 2,3 м (проба № 2-13) от кровли слоя выделяется прослой слабокарбонатных глин (СаС03 ~10%). Мощность слоя 10 м.
Слой 3. Переслаивание миллиметровых глинистых и известковых прослоев. В средней части слоя выделяется интервал известковых глин. Карбонатные прослои сложены известковым на-нопланктоном. Мощность слоя 1,16 м.
Слой 4. Глины слабоизвестковистые (СаС03 ~10%) серо-зеленые, тонкослоистые, с отдельными тонкими карбонатными прослоями. Карбонатные прослои тонкозернистые. Мощность слоя 3,5 м.
Согласно микропалеонтологическим данным [Вернигорова и др., 2006; Ра1си й а1., 2017] отложения слоя 1 и нижней части слоя 2 относятся к картвельским слоям, верхней части слоя 2 — к сартаганским и веселянским слоям, слоя 3 и нижней части слоя 4 — к веселянским слоям. Общая мощность картвельских, сартаганских и веселян-ских слоев в рассматриваемом разрезе составляет около 23 м.
В изучаемых конкских отложениях преобладают глины. В глинах присутствует различная примесь (обломочная, карбонатная, фосфатная, органическая и др.), количество которой обычно не превышает 10—30%. Рассматриваемые глинистые отложения наиболее отчетливо подразделяются по степени их известковистости. По минеральному составу глины однотипные. Рентгеноструктур-ным методом в них выявлено наличие смектита (43—57%), гидрослюды (15—37%), смешанослой-ных образований (3—9%), каолинита (11—15%) и хлорита (6—13%).
В целом в глинах преобладают смектиты, содержание которых возрастает вверх по разрезу, что хорошо согласуется с этапностью наступления конской трансгрессии. Смектиты представлены в основном монтмориллонитом и содержат обменные катионы Са2+, Mg2+ и №+. В нижней части разреза (картвельские слои) установлено высокое содержание гидрослюды, что свидетельствует о влиянии речного стока, поступавшего в бассейн и обеспечивающего вынос тонкой терригенной взвеси в относительно глубоководную обстановку. Смешанослойные минералы типа слюда-смектит с соотношением пакетов 50:50 в небольшом количестве присутствуют в нижней и верхней частях разреза. Хлориты встречаются в отложениях повсеместно и представлены магнезиально-желе-зистыми, реже железистыми разновидностями. На протяжении всего разреза в глинах выявлен
каолинит, незначительное содержание которого практически не меняется.
В единичной пробе пород в кровле слоя 3 установлено наличие цеолитов (гейландит, до 6%), что может указывать на возможное вторичное преобразование вулканокластического материала.
Глины отвечают нефелоидным отложениям, накапливающимся в относительно глубоководных условиях (не более 150—200 м).
Карбонатные прослои представлены двумя основными литотипами, отражающими разные режимы седиментации. В нижней части разреза (слой 1 и низы слоя 2) в основном встречаются тонкозернистые карбонатные прослои (до 0,35 м), часто сливного вида (за счет вторичной доломитизации), характеризующиеся комковато-сгустковой структурой. В прослоях этого типа отмечены небольшие раздувы с выпуклой верхней границей, обусловливающие развитие слабоположительных форм в рельефе. В шлифах видны миллиметровые наслоения с фестончатыми границами. Рассматриваемые карбонатные прослои были сопоставлены с бентосогенными образованиями, связанными, скорее всего, с развитием донных бактериальных сообществ (бактериальных матов) (рис. 2).
В средней и верхней частях разреза (верхи слоя 2, слой 3 и низы слоя 4) встречаются тонкозернистые пелитоморфные карбонатные прослои (до 0,1 м), сложенные известковым наноплактоном. В шлифах скопления нанофлоры наблюдаются в виде тонких прослоев и линз, сложенных микрито-вым карбонатом. Морфология и хорошая сохранность нанофоссилий хорошо видны при изучении пород с помощью электронной микроскопии. Этот тип карбонатных прослоев относится к типичным планктоногенным образованиям (рис. 2).
Изотопный анализ. Для более полной характеристики условий седиментации рассматриваемых конкских отложений выполнен изотопный анализ 5 проб, отобранных из двух основных типов карбонатных прослоев (бентосогенного и планктоно-генного генезиса) (рис. 1).
В пробах № 2-23, 2-14 и 2-14а, взятых из карбонатов без следов вторичной доломитизации и отвечающих микробиальным образованиям, установлено повышенное содержание 12С (513С от — 13,7 до —8,0%с). В породах выявлены положительные величины 518О — от 0,3 до 2,0%.
Известно, что для микробиальных отложений, связанных с развитием различных микробных сообществ, характерно наличие более облегченного изотопного состава углерода. Положительные значения 518О, установленные в рассматриваемых карбонатах, скорее всего, указывают на относительно низкую температуру придонных вод, что хорошо согласуется с представлениями об относительно глубоководных условиях накопления изучаемых конкских отложений. В Черном море на глубине около 50—100 м температура придонных
Рис. 2. Литологические типы карбонатных пород конкских отложений миоцена, вскрытых в разрезе горы Зеленского (Таманский п-ов): ОВ — общий вид карбонатных прослоев, ОМ — карбонаты в шлифах, ЕМ — карбонаты под электронном микроскопом
вод составляет ~8 °С в течение всего года [Единая ..., 2008].
Пробы № 2-6 и 2-12 из карбонатов, сложенных известковым нанопланктоном, характеризуются изотопным составом углерода и кислорода, в целом типичным для морских отложений (проба № 2-6: 813С = 0,4% и 518О = -0,4%, проба № 2-12: 813С = -0,4% и 518О = 0,6%).
Отличия, наблюдаемые в изотопном составе этих двух проб карбонатов, отражают изменчивость геохимии вод. В пробе № 2-12 карбонаты, соответствующие отложениям сартаганских слоев, формировались при большей солености вод, на что указывают положительные значения изотопного состава 518О (518О = 0,6%). В пробе № 2-6 известковые осадки, отвечающие веселянским слоям, накапливались при меньшей солености вод, о чем свидетельствует увеличение содержания легкого изотопа кислорода (518О = -0,4%). Облегчение изотопного состава кислорода может также отражать потепление климата, но подобные палеогеографические изменения в конце конкского времени не установлены. Утяжеление изотопного состава углерода может быть обусловлено влиянием процессов фотосинтеза, возросшим из-за интенсивного развития микрофлоры, что хорошо согласуется со строением отложений, представленных в этой части разреза частым переслаиванием глинистых и кокколитовых известковых прослоев.
Полученные данные свидетельствуют в пользу представлений о максимальном развитии конкской морской трансгрессии в сартаганское время [Не-весская и др., 2004].
Циклостратиграфические исследования. В ходе исследования установлено, что магнитная восприимчивость (K) пород изучаемых конкских отложений характеризуется значениями от 0,06 до 0,24-10-3 ед. СИ (в среднем 0,15-10-3 ед. СИ) [Rostovtseva et al., 2017]. Отложения нижней части разреза в целом отличаются более высокими величинами К. Значения К были использованы для выявления в рассматриваемых отложениях астрономической цикличности. Основной носитель намагниченности в описываемых конкских породах представлен магнетитом [Palcu et al., 2017].
Спектральный анализ эквидистантных рядов данных магнитной восприимчивости пород конкских отложений позволил выявить два резко выраженных пиковых значения (рис. 3). Среди них выделяется пик, который превышает интервал спектральных шумов с 99%-ным уровнем доверия на REDFIT периодограмме, что указывает на высокую степень достоверности выявленного циклического колебания. Этот пик отвечает циклу протяженностью 3,3 м. Другое пиковое значение, превышающее интервал спектральных шумов с 95%-ным уровнем доверия на REDFIT периодограмме, соответствует циклу длиной 14,3 м. Рассматриваемые пиковые значения выявлены в результате статистической обработки значений K как по всему разрезу, так и для выборки измерений, характеризующих отложения слоев 2, 3 и 4. Спектральный анализ величин K, полученных в ходе исследования отложений слоя 1, не выявил знаковых пиковых значений, имеющих высокую
Рис. 3. Результаты циклостратиграфических исследований конкских отложений миоцена, вскрытых в разрезе горы Зеленского (Таманский п-ов): REDFIT (А) и Wavelet (Б) периодиограммы спектрального анализа данных о магнитной восприимчивости
изучаемых пород
степень достоверности. В этой части разреза наряду с глинами чаще всего встречаются карбонатные прослои бентосогенного происхождения, связанные с развитием микробиальных донных сообществ. Отложения слоев 2, 3 и 4 характеризуются наличием в основном карбонатных прослоев планктоногенного генезиса. Разные режимы седиментации выявленных типов карбонатных отложений, отличающиеся также от закономерностей осаждения глинистого материала, могли отразиться в особенностях циклического строения рассматриваемых конкских толщ. Представляется, что для оценки длительности накопления изучаемых отложений методами циклостратиграфии наиболее кондиционным является анализ данных, относящихся только к верхней части рассматриваемого разреза (к сартаганским и веселянским слоям).
Отношение установленных циклов длиной 3,3 и 14,3 м составляет 1:4 (1:4,3), что соотносится с долгопериодными колебаниями инсоляции около 100 и 24 тыс. лет, а также 100 и 400 тыс. лет. Если цикл длиной 3,3 м отвечает прецессионным вариациям, то длительность накопления сарта-ганских и веселянских слоев составляет ~50 тыс. лет. При этом скорость осадконакопления была около 13—14 см/1000 лет. Если этот цикл рассматривать как отражение 100 000-летних колебаний эксцентриситета орбиты Земли, то сартаганские и веселянские слои осаждались в среднем со скоростью 3,3 см/1000 лет в течение ~200 тыс. лет. Интерпретация рассматриваемого цикла как запись 100 000-летних астрономических колебаний предпочтительнее, учитывая новые данные магнитостратиграфических и палеонтологических исследований, которые свидетельствуют о формировании сартаганских и веселянских слоев изучаемого разреза на протяжении около 240 тыс. лет при
скорости осадконакопления около 2,2 см/1000 лет [Palcu et al., 2017].
Заключение. Литологическое исследование рассматриваемых конкских отложений показало, что в их строении отчетливо прослеживается смена обстановок седиментации, обусловленная последовательным развитием морской трансгрессии. Осадконакопление было представлено осаждением глинистых и карбонатных отложений. Среди карбонатных пород выявлены бентосогенные и планктонногенные образования, отличающиеся как строением, изотопным составом, так и режимом седиментации. Карбонатные прослои план-ктоногенного генезиса, сложенные известковым нанопланктоном, получили наибольшее развитие в сартаганское и веселянское время. Карбонаты бентосогенного происхождения приурочены в основном к картвельским слоям. По особенностям литологического строения карбонаты этого типа сопоставляются с микробиальными накоплениями, что хорошо согласуется с данными изотопного анализа о повышенном содержании 12С в слагающем их кальците. Согласно данным о четвертичном осадконакоплении в Черном море [Degens et al., 1978], скорость седиментации отложений в относительно глубоководной обстановке составляет в среднем около 10 см/1000 лет, а прослоев нанопланктона — 30 см/1000 лет. Известно, что скорость развития микробиальных накоплений (бактериальных матов) может варьировать от 1 см до 3 м в 1000 лет [Prados Andrés, Bádenas Lago, 2015].
Отличия режима седиментации глинистых и карбонатных осадков сказались на особенностях циклического строения изучаемых отложений. Выявлено, что наиболее достоверное исследование толщ методами циклостратиграфии возможно только для отложений сартаганских и
веселянских слоев. В рассматриваемых толщах установлено наличие циклов длиной 3,3 и 14,3 м, сопоставимых с долгопериодными колебаниями инсоляции. Длительность формирования сарта-ганских и веселянских слоев в изучаемом разрезе по данным астрономической цикличности может составлять около 200 тыс. лет, учитывая данные магнитостратиграфических и палеонтологических исследований этих отложений [Palcu et al., 2017]. Предполагается, что осадки могли накапливаться со скоростью около 3,3 см в 1000 лет, что значительно меньше подобных показателей, рассчитанных для верхнемиоценовых отложений [Rybkina et al., 2015; Rostovtseva, Rybkina, 2017].
Учитывая стратиграфическое расчленение толщ по микропалеонтологическим данным [Вернигорова и др., 2006; Palcu et al., 2017], можно определить границы между картвельскими и сартаганскими, а также сартаганскими и весе-лянскими слоями по литологическим признакам
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вернигорова Ю.В., Головина Л.А., Гончарова И.А. К характеристике конкских отложений Таманского полуострова // Проблемы палеонтологии и биостратиграфии протерозоя и фанерозоя Украины. Киев, 2006. С. 231-242.
Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО) // Динамическое справочное электронное пособие, 2008. URL: http:// portal.esimo.ru (дата обращения: 19.04.2018).
Невесская Л.А., Коваленко Е.И., Белуженко Е.В. и др. Объяснительная записка к унифицированной региональной стратиграфической схеме неогеновых отложений южных регионов европейской части России. М.: Палеонтологический ин-т РАН, 2004. 83 с.
Попов С.В., Ахметьев М.А., Головина Л.А. и др. Реги-оярусная стратиграфическая шкала неогена юга России: состояние и перспективы // Общая стратиграфическая шкала России: состояние и проблемы обустройства. М., 2013. С. 356-359.
Degens E.T., Stoffers P., Golubic S., Dickman M.D. Varve chronology: estimated rates of sedimentation in the Black Sea deep basin // US Government Print. Office, 1978. P. 499-508.
Palcu D.V., Golovina L.A., Vernyhorova Y.V. et al. Middle Miocene paleoenvironmental crises in Central Eurasia
пород в изучаемом разрезе. Карбонатный прослой бентосогенного генезиса, хорошо выделяющийся в разрезе за счет наличия раздувов и залегающий в нижней части слоя 2 (на 4,5—5 м ниже подошвы слоя 3), можно рассматривать в качестве кровельной части картвельских слоев. Интервал глин с более низкой известковистостью, установленный в верхней части слоя 2 (на 2,5 м ниже подошвы слоя 3), по его положению в разрезе в целом совпадает с нижней границей веселянских слоев, установленной по комплексам микрофоссилий. Присутствие цеолитов в кровельной части слоя 3, как мы предполагаем, возникших в результате вторичного преобразования пирокластики, может отражать действие вулканизма в пределах соседних регионов. Активная вулканическая деятельность также обусловила накопление прослоя пирокла-стики в переходных слоях между баденскими и сарматскими в Центральном Паратетисе (разрез Тиса, Румыния) [Ра1си et а1., 2015].
caused by changes in marine gateway configuration // Global Planet. Change. 2017. Vol. 158. P. 57-71.
Palcu D, Tulbure M, Bartol M. et al. The Badenian-Sarmatian extinction event in the Carpathian foredeep basin of Romania: paleogeographic changes in the Paratethys domain // Global Planet. Change. 2015. Vol. 133. P. 346-358.
Prados Andrés G., Bádenas Lago B. Sedimentary factors controlling thickness of stratiform stromatolites, from laminae to metre-thick packages (Sinemurian, Iberian Basin) // Revista Sociedad Geol. España. 2015. Vol. 28, N 2. Р. 3-14.
Rostovtseva Yu.V., Rybkina A.I. The Messinian event in the Paratethys: Astronomical tuning of the Black Sea Pontian // Marine Petrol. Geol. 2017. Vol. 80. P. 321-332.
Rostovtseva Yu.V., Rylova A.Y., Rybkina A.I. The Kon-kian sedimentary regime in the Eastern Paratethys (Taman Region) // Neogene of Central and South-Eastern Europe: 7th Intern. Workshop. Zagreb, 2017. P. 56-57.
Rybkina A.I, Kern A.N, Rostovtseva Yu.V. New evidence of the age of the lower Maeotian substage of the Eastern Paratethys based on astronomical cycles // Sediment. Geol. 2015. Vol. 330. Р. 122-131.
Weedon G.P. Time series analysis and cyclostratigraphy. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 260 p.
Поступила в редакцию 04.05.2018
