Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эволюция изотопного состава стронция в позднерифейской воде

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Эволюция изотопного состава стронция в позднерифейской воде"

российская академия наук

Институт геологии и геохронологии докембрия

, Л „

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ АНТОН БОРИСОВИЧ

УДК 54.02:546.42:552.54:551.72 (470.55/.57)

ЭВОЛЮЦИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА СТРОНЦИЯ В ПОЗДНЕРИФЕЙСКОЙ МОРСКОЙ ВОДЕ: КАРБОНАТЫ КАРАТАВСКОЙ СЕРИИ ЮЖНОГО УРАЛА

Специальность: 04.00.02 (геохимия)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург, 1998

Работа выполнена в Институте геологии и геохронологии докембрия Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

И.М. Горохов

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Э.М.Прасолов

Ведущее предприятие: Институт геологии и геохимии

им. академика А.Н.Заварицкого УрО РАН

Защита состоится 17 декабря 1998 года в 14.00 часов на заседании Специализированного совета Д.003.72.01 при Институте геологии и геохронологии докембрия РАН по адресу: 199034, Санкт-Петербург, наб.Макарова, д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГГД РАН

Автореферат разослан 16 ноября ¡998 года

кандидат геолого-минералогических наук А.Г.Рублев

Ученый секретарь

Специализированного совета Д.003.72.01 кандидат геол.-мин. наук

'.П. Щеглова

Актуальность работы. Метод стронциевой изотопной (хемо)стратиграфии (СИС) для карбонатных пород опирается на изучение вековых вариаций изотопного состава Бг в воде палеоокеанов и весьма перспективен для корреляции и датирования древних морских осадков, определения степени замкнутости отдельных палеобассейнов и оценки глобальной геодинамической обстановки. Однако современные представления об изотопном составе Бг в протерозойских океанах еще очень скудны и обрывочны. Даже несмотря на то, что исследования в этом возрастном интервале в последнее десятилетие значительно активизировались, их общий объем составляет менее 3% от объема аналогичных исследований в фанерозое. Основными причинами, сдерживающими применение СИС к протерозойским карбонатам, являются: 1) фрагментарность геологической летописи в докембрии; 2) трудность возрастной калибровки кривой вариаций изотопного состава Бг в протерозойской морской воде из-за недостаточного количества объектов, имеющих надежную и точную привязку к хронометрической шкале; 3) значительные постседиментационные нарушения изотопных систем осадочных карбонатов, обусловленные древностью пород. Преодоление этих трудностей возможно, с одной стороны, с помощью исследования типовых или хорошо коррелируемых со стратотипами протерозойских осадочных последовательностей, а с другой - путем совершенствования процедуры выбора наименее измененных образцов на основе группы геохимических критериев и использования методики селективного растворения пород.

Цель работы. Реконструкция вариаций изотопного состава стронция в позднерифейской морской воде на основе первичных отношений "БгЛБг в наименее измененных карбонатах стратотипа верхнего рифея - каратавской серии Южного Урала.

Основные задачи исследования: 1) Изучение петрографических и геохимических особенностей карбонатных пород в типовых разрезах верхнего рифея Южного Урала; 2) Выявление признаков и типа постседиментационных процессов, приведших к преобразованию изотопно-геохимических систем карбонатных пород каратавской серии;

3) Разработка геохимических критериев для отбора карбонатных образцов с наименее измененными в ходе литогенеза Мэ-Бг системами;

4) Оценка эффективности удаления вторичного карбонатного материала из исследуемых образцов при лабораторном двустадийном растворении (предварительном выщелачивании раствором ацетата аммония).

Научная новизна. Продемонстрировано влияние различных постседиментационных процессов на изотопно-геохимические характеристики карбонатных пород стратотипа верхнего рифея. Показано, что Шэ-Бг системы глинистых известняков катавской свиты, группы "кальциевых" доломитов в нижней части миньярской свиты и единичных образцов инзерской свиты были преобразованы в ходе диагенеза погружения. Изменение первичных изотопно-геохимических характеристик карбонатов кровли миньярской свиты и небольшой части карбонатов укской свиты произошло в результате метеорного диагенеза при поступлении поверхностных вод в моменты субаэральных вскрытий.

Установлено, что отношения в позднерифейском палеоокеане

были значительно более низкими, чем считалось на основании имеющихся литературных данных. Достоверность реконструированных значений отношения 878г/а68г, обоснована отбором образцов из эталонного разреза верхнего рифея, комплексом геохимических критериев, использованных при оценке степени нарушения изотопных систем карбонатов и выборе материала для исследования, а также удалением значительной части вторичных карбонатов с помощью специальной химической обработки образцов.

Установлена ведущая роль мантийного потока стронция для палеоокеанов большей части позднерифейского времени. Основные защищаемые положения:

1. ЯЬ-Бг системы карбонатных пород каратавской серии неравномерно преобразованы процессами эпигенеза. Наилучшая сохранность первично-осадочных петрографических и изотопно-геохимических характеристик свойственна подавляющей части известняков инзерской свиты, части доломитов и известняков миньярской свиты и большей части известняков укской свиты.

2. Отбор наименее измененных образцов, пригодных для реконструкции изотопного состава Бг в морской воде позднего рифея, требует использования методики двустадийной химической обработки карбонатов и комплекса жестких геохимических критериев (для известняков - Мп/8г<0.8, Ре/БкЭ и Ш)<0.5 мкг/г, для доломитов - Мп/8г<1, Ре/8г<4 и Ш?<0.2 мкг/г).

3. Отношения 878г/868г в морской воде 890-660 млн. лет назад варьировали в пределах 0.70525-0.70611, указывая на то, что позднерифейский океан пополнялся преимущественно мантийным стронцием, извлеченным из базальтового материала.

Практическое значение работы. Реконструированный участок кривой вариаций отношения 87Sr/86Sr в морской воде позволяет: 1) оценить относительный вклад корового и мантийного материала в общий баланс вещества в позднерифейском палеоокеане; 2) установить, что резкий рост отношения 87Sr/86Sr в морской воде (от 0.7066 до 0.7085) приходился исключительно на вендское время, и тем самым повысить потенциальные возможности стронциевой изотопной стратиграфии на границе венд-кембрий.

Апробация и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Precambrian of Europe: Stratigraphy, Structure, Evolution and Mineralization, MAEGS-9 (С.-Петербург, 1995), Общие проблемы стратиграфии и геологической истории рифея Северной Евразии (Екатеринбург, 1995), 5th Zonenshain Conference on Plate Tectonics (Москва, 1995), 6th V.M.Goldschmidt Conference (Гейдельберг, 1996), 4th Symposium on the Geochemistry of the Earth's Surface, (Лидс, 1996), Докембрий Северной Евразии (С.-Петербург, 1997), Осадочные формации докембрия и их рудоносность (С.-Петербург, 1998). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 190 страниц состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 180 наименований, содержит 28 рисунков и 31 таблицу .

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю И.М.Горохову. Выполнение этой работы было бы невозможно без поддержки со стороны внимательных коллег Т.Л.Турченко, Г.В.Констанпшовой, А.В.Баскакова, Э.П.Кутявина и Н.Н.Мельникова - передававших свой профессиональный опыт. Автор высоко ценит помощь М.А.Семихатова, с которым он имел возможность неоднократно консультироваться в процессе работы. Особую благодарность автор выражает южноуральским геологам В.И.Козлову, П.Н.Михайлову, Н.Д.Сергеевой и Н.Н.Ларионову за предоставленную коллекцию каратавских карбонатов и помощь в ознакомлении с разрезами стратотипа верхнего рифея. Результаты изотопного анализа кислорода в каратавских карбонатах любезно предоставлены Д.П.Виноградовым. При подготовке демонстрационного материала большую помощь оказали М.Д.Толкачев, М.Р.Павлов и В.В.Мещерин. Автор благодарен Н.Н.Мельникову и В.Н.Подковырову за ряд полезных критических замечаний.

б

Глава 1. Методические основы стронциевой изотопной стратиграфии

Стронциевая изотопная стратиграфия (СИС) базируется на трех принципах: 1) отношение 87Бг/868г единообразно во всем объеме Мирового океана и окраинных морей в каждый заданный момент геологического времени; 2) систематические вариации изотопного состава Бг в морской воде вызваны изменением баланса между континентальным и мантийным потоками вещества, поскольку континентальный поток, формирующийся в ходе денудации континентальной коры, привносит в океан Бг с заметно более высоким отношением "Бг/^г (-0.712), чем мантийный поток, образующийся при гидротермальной переработке базальтов в срединно-океанических хребтах (~0.704); 3) реконструкция величин отношения "БгЛБг в палеоокеанах возможна путем анализа Са-содержащих минералов (главным образом карбонатов), осаждавшихся непосредственно в морской воде и включавших в свой состав Бг в изотопном равновесии со средой седиментации.

Отбор материала, способного достоверно отражать отношение "БгЛБг в морской воде в момент отложения осадка, является одной из основных проблем метода СИС. На постседименгационных этапах карбонатные минералы могли быть частично или полностью перекристашшзованы под действием растворов, содержащих Бг с другим изотопным составом. Как следствие, измеренное в таких образцах значение В78т/й6Бт не соответствует этому значению в среде седиментации. Современные способы диагностики вторичных изменений карбонатов основаны на сопоставлении содержаний примесных элементов и петрографических характеристик образцов. В качестве геохимических критериев сохранности первичных Бг-изотопных систем карбонатов выступают низкие величины отношений Мп/Бг, Са/Бг, Бе/Бт и ИЬ/Бг и отсутствие зависимости этих параметров от значений б180.

Отсутствие скелетной фауны, на анализе которой построена фанерозойская СИС, значительно сужает методическую базу СИС в протерозое. Наиболее приемлемым материалом для оценки изотопного состава Бг в протерозойской морской воде остаются валовые образцы осадочных карбонатов, которые, в отличие от ископаемых кальцитовых раковин, в большей степени подвержены поздней перекристаллизации. Практически все неметаморфизованные докембрийские карбонаты,

независимо от их геохимических параметров, содержат в разных пропорциях раннедиагенетические и эпигенетические карбонатные фазы, различающиеся по своим Ш)-Бг характеристикам. Разработанные в последние годы методики селективного растворения карбонатных пород позволяют в значительной мере обогатить их ненарушенными первичными карбонатными фазами путем предварительного выщелачивания вторичных карбонатов и удаления легкоподвижных ЯЬ и Бг из силикокластической примеси. Такой подход, однако, не получил еще широкого распространения, хотя безусловно заслуживает внимания, учитывая ощутимую разницу между величинами отношений 87Бг/86Бг в карбонатной и детритовой составляющих.

Глава 2. Каратавская серия Южного Урала как геологическая основа для реконструкции изотопного состава $г в позднерифейской морской воде

Все предшествующие попытки реконструкции изотопного состава Бг в морской воде позднего рифея опирались на изучение осадочных последовательностей, отлагавшихся в течение непродолжительных интервалов времени и вскрытых в далеко разобщенных регионах. Корреляция этих последовательностей между собой и со стратотипом рифея, а также их привязка к хронометрической шкале еще нуждаются в уточнении. Выбор же в качестве объекта непосредственно стратотипического разреза верхнего рифея, обладающего необходимыми для такого исследования литологическими и изотопно-геохронологическими характеристиками, существенно увеличивает значимость предпринимаемой реконструкции.

Каратавская серия - тип верхнего рифея - представляет собой мощный (3.0-5.5 км) осадочный комплекс, вскрытый в пределах Башкирского антиклинория на западном склоне Южного Урала. В большинстве районов отложения серии согласно залегают на породах юрматинской серии (типе среднего рифея) и повсеместно несогласно перекрыты отложениями венда. В современных региональных шкалах каратавская серия расчленяется на шесть свит: песчано-глинистую зильмердакскую (1200-3300 м), известняковую пестроцветную катавскую (200-350 м), карбонатно-силикокластическую инзерскую (300-800 м), известняково-доломитовую миньярскую (350-650 м), песчано-карбонатную укскую (160-350 м), завершающую разрез серии в

западной части Башкирского антиклинория, и песчано-глинистую

<

криволукскую (250-300 м), сохранившуюся от предвендского размыва только на востоке антиклинория (Козлов и др., 1991). Три нижние свиты каратавской серии связаны постепенными переходами, тогда как в основании укской, а иногда и в основании миньярской свит отмечаются следы размыва.

Формирование карбонатных отложений каратавской серии происходило в открыто-морском преимущественно мелководном палеобассейне, охватывавшем территорию не только современного Южного Урала, но и прилегающие районы Восточно-Европейской платформы (Маслов, 1988).

На основании изотопных датировок осадочных геохронометров каратавской серии, а также датировок ассоциированных магматических тел, возраст серии ограничивается рамками 1000+50 - 650+20 млн. лет (Семихатов и др., 1991). Наиболее надежной является изохронная Pb-Pb датировка нижнеинзерских известняков - 836+25 млн. лет, которая отражает возраст раннего диагенеза осадков (Овчинникова и др., 1998). Эта датировка подтверждается Rb-Sr возрастом аутогенных 1М иллитов инзерской свиты - 805-835 млн. лет, отвечающим диагенезу погружения инзерских осадков. Для глауконитов из нижней части укской свиты существуют две согласующиеся изотопные датировки: изохронная Rb-Sr и К-Аг, равные соответственно 688+10 млн. лет и 670+10 млн. лет (Горожанин, Кутявин, 1986). Помимо этого, для различных горизонтов каратавской серии имеются определения К-Аг возраста минералогически не изученных глауконитов: верхняя часть катавской свиты - 970-938 млн. лет, нижняя и средняя части инзерской свиты - 896-853 млн. лет, верхняя пачка инзерской свиты - 791-683 млн. лет, нижняя часть миньярской свиты - 740-710 млн. лет, нижняя часть укской свиты - 658-600 млн. лет (Гаррис, 1977; Келлер, Чумаков, 1983). Минимальный возраст каратавской серии определяется на основании взаимно согласующихся данных: с одной стороны, К-Аг датировок валовых проб габбро-диабазов, прорывающих отложения серии - 660620 млн. лет, а с другой - изохронной Rb-Sr датировки глауконитов -617+12 млн. лет (Козлов, Горожанин, 1993) и модельных Rb-Sr датировок тонкозернистых глинистых минералов - 608-516 млн. лет (Горожанин, Губеева, 1990) из перекрывающих вендских толщ.

Исследование каратавской серии проводилось на территории Каратауского структурного комплекса, Алатауского антиклинория и Инзерского синклинория, являющихся составными частями западного крыла Башкирского антиклинория. Упомянутые районы находятся на

значительном удалении от зон метаморфизма, сопряженного с зоной Главного Уральского надвига на востоке. Из-за особенностей фадиального строения каратавской серии на исследуемой территории предпочтение отдавалось западным разрезам (Каратауского комплекса и Алатауского антиклинория), поскольку именно в них на катавско-укском уровне отмечается максимальное содержание карбонатных пород. Изученные образцы отобраны в Каратауском структурном комплексе: 1) в окрестностях г. Миньяр на правом берегу р. Сим -большая часть катавской свиты, вся инзерская свита и, кроме самых верхних горизонтов, миньярская свита, 2) на правом берегу р. Юрюзань выше д. Шубино - верхняя часть миньярской свиты и вся укская свита, 3) на левом берегу р. Юрюзань в районе ст. Вязовая - фрагменты средней части укской свиты; в Алатауском антиклинории: 4) вблизи пос. Кулмас в дорожных выемках трассы Уфа-Белорецк - средняя часть катавской свиты, инзерская, миньярская и верхняя часть укской свиты; в Инзерском синклинории: 5) на правом берегу р. Малый Инзер выше г. Инзер - катавская свита, 6) на пересечении восточного склона хребта Зильмердак с р. Манайсу - катавская свита. Кроме того, было взято несколько образцов карбонатов из трещшшых систем, секущих отложения катавской, инзерской и миньярской свит. Общий объем карбонатной коллекции составил более 250 образцов.

Сводный разрез каратавской серии с послойной привязкой каждого образца построен на основе литостратиграфических критериев и данных геологического картирования. Допущение о линейной зависимости между мощностью отложений и временем их накопления с учетом приведенных выше изотопных датировок позволило оценить возраст границ свит и возраст каждого образца. В результате геологической основой для реконструкции изотопного состава Бг в позднерифейской морской воде стала почти непрерывная последовательность карбонатных отложений, охватывающих продолжительный интервал геологического времени от 970 до 660 млн. лет.

Глава 3. Методика исследований

Из общей коллекции было выбрано 72 известняка и 18 доломитов, лишенных видимых признаков вторичной перекристаллизации, так чтобы в сводном разрезе интервал между смежными образцами не превышал 15-20 м. Каждый образец делился на две части: из одной изготавливался прозрачный шлиф для петрографического

исследования, а другая часть истиралась и использовалась для рентгеновского, химического и изотопного анализа. Аналогичным образом были проанализированы 7 образцов трехцинных карбонатов, однако для них петрографическое изучение не проводилось.

Фазовый состав карбонатов и минеральный состав силикокластической примеси контролировались методом рентгеновской дифрактометрии на дифрактометре ДРОН-УМ-1 в ИГГД РАН Т.Л.Турченко. Химический анализ карбонатов проводился в лаборатории ГИН РАН И.В.Кисловой. Навеска образца растворялась в IN HCJ, после чего содержания Ca и Mg в общей карбонатной составляющей определялись весовым, а Мп и Fe - атомно-абсорбционным методом. Определение изотопного состава кислорода проводилось в ИГГД РАН Д.П.Виноградовым на масс-спектрометре МИ-1201 с использованием международных стандартов КН-2, К-2 и TKL-1, прокалиброванных относительно шкалы PDB. Растертые пробы растворялись в концентрированной Н3РО4. Аналитическая погрешность измерений б180 не превышала +0.2%о.

При изучении Rb-Sr систематики карбонатов применялась разработанная в ИГГД РАН методика двуступенчатого растворения образцов (Горохов и др., 1995). На первом этапе образцы обрабатывались IN раствором ацетата аммония, а затем растворялись в 10% уксусной кислоте. В обеих растворимых фазах определялись как содержания Rb и Sr, так и изотопный состав Sr.

Определение содержаний Rb и Sr проводилось методом изотопного разбавления на одноколлекгорном масс-спектрометре МИ-1320. Лабораторные загрязнения Rb и Sr из пыли и реактивов не превышали соответственно 0.7 и 6.1 нг. Анализ изотопного состава Sr, выделенного ионообменным способом, проводился на многоколлекторном масс-спектрометре Fiimigan МАТ-261. Измеренные значения отношения 87Sr/86Sr в образцах были нормализованы к 86Sr/88Sr=0.1194. Средние значения отношения 87Sr/86Sr в межлабораторных стандартах в период работы были следующими: SRM-987 - 0.71025 ± 0.00001 (2аср, n=38); Eimer & Amend - 0.70804 ± 0.00002 (2аср, п=13) и EN-1 - 0.70917 ± 0.00002 (2оср, п=2). Расхождение измеренных отношений 87Sr/86Sr в параллельных опытах для фазы, растворимой в ацетате аммония (АА-фазы), не превышало 0.00066 и в среднем равнялось 0.00024 (по 20 образцам), а для основной карбонатной фазы, растворяемой в уксусной кислоте (УК-фазы),

соответственно - 0.00006 и 0.00003. Первичные отношения 87Sr/86Sr вычислялись из измеренных с учетом содержания Rb и оцененного возраста каждого образца (константа распада 87Rb: А=1.42x10'" год'1).

Глава 4. Петрографические и изотопно-геохимические особенности карбонатов каратавской серии

Большинство карбонатов каратавской серии не подверглось сколько-нибудь значительной перекристаллизации, которая могла бы быть установлена с помощью петрографического изучения. Среди исследованных образцов преобладают микриты и микроспариты с массивными, полосчатыми и шпракластовыми текстурами, иногда с реликтами замещенного каемчатого цемента. Гораздо меньшие группы составляют. 1) мозаично-перекристаллизованные карбонаты, характеризующиеся пятнистым чередованием микрига-спарита - некоторые образцы инзерской свиты в разрезах Алатауского антиклинория, часть доломитов и известняки кровли миньярской свиты; 2) микриты с гнездами мелко- и среднезернистого пойкилитового кальцита - часть известняков укской свиты; 3) кристаллические карбонаты, не содержащие реликтов обломочных текстур и микритовых цементов -доломиты нижней части миньярской свиты, а также единичные образцы из самой кровли укской и инзерской свит. Степень стилолитизации и трещиноватости изученных карбонатов обнаруживает связь с геолого-тектонической обстановкой, присущей Башкирскому антиклинорию, и нарастает в ряду: Каратауский комплекс - Алатауский антиклинорий -Инзерский синклинорий.

Известняки катавской, основания миньярской и части укской свит, образцы которых характеризуются высокой долей силико-кластической примеси (5.1-31.0%), отличаются повышенными содержаниями Мл (150-600 мкг/г), Fe (800-9600 мкг/г) и Rb (0.26-1.86 мкг/г), в то время как в чистых известняках инзерской и большей части укской свит, где доля некарбонатной примеси <3.8%, отмечены самые низкие содержания этих элементов, соответственно 10-100, 130-1100 и 0.02-0.46 мкг/г. Единичные образцы доломитизированных известняков инзерской свиты и кровли укской свиты (Mg/Ca - от 0.035 до 0.350) отличаются пониженными отношениями Mn/Sr и Fe/Sr по сравнению с известняками тех же свит (Mg/Ca<0.030). Больше всего Sr - 310-715 мкг/г содержат известняки нижнеинзерской подсвиты, входящей в состав регионального геохимического горизонта, обогащенного

t

стронцием (Юдович, 1984; Анфимов и др., 1987; Гареев, 1988), а также микриты укской свиты и известняки кровли миньярской свиты. Содержания Sr в карбонатной фазе остальных каратавских известняков невелики и находятся в пределах 100-300 мкг/г: катавские образцы в среднем - 180 мкг/г, верхнеинзерские - 205 мкг/г, известняки в основании миньярской свиты - 215 мкг/г и оставшиеся образцы укской свиты - 110 мкг/г. Доломиты миньярской свиты разделяются на две группы: "магнезиальные" (с отношением Mg/Ca - 0.607-0.636) характеризуются повышенными содержаниями Sr - 20-110 мкг/г (в среднем 63 мкг/г) по сравнению с "кальциевыми" (Mg/Ca - 0.552-0.607) - 10-65 мкг/г (35 мкг/г). Последние образуют небольшой по мощности (50-60 м) горизонт в нижней части миньярской свиты и сложены преимущественно крупнокристаллическим доломитом. Содержания Мл и Fe в доломитах обеих групп довольно низкие, соответственно 44-340 и 20-1340 мкг/г. В наибольшей, степени обогащены этими элементами образцы, находящиеся в кровле свиты и включающие высокую долю некарбонатной примеси (9.4-40.1%). Значения 5180 во всех каратавских известняках варьируют от -5.0 до -10.5%о PDB, а в доломитах - от -1.5 до -6.1%о PDB, не обнаруживая какой-либо зависимости от величин Mn/Sr и Fe/Sr.

Все карбонаты каратавской серии содержат некогенетичные карбонатные фазы, переходящие в раствор при последовательной обработке образцов 1N ацетатом аммония (АА-фаза) и 10%-ной уксусной кислотой (УК-фаза). Удаляемая с помощью ацетата аммония фаза во всех образцах характеризуется значительно более высоким содержанием Rb (в среднем в 40-60 раз) и более высоким отношением 87Sr/ 6Sr (в среднем на 0.002) по сравнению с основной карбонатной УК-фазой (табл. 1).

Таблица I. Rb-Sr данные для АА- и УК- карбонатных фаз

каратавских известняков и доломитов

Карбонатная фаза Rb, мкг/г Sr, мкг/г "'Sr/^Sr

интервал | средн. интервал | средн. измеренное

Известняки

АА 0.18-21.0 6.6 67.5-771 280 0.70537-0.72029

УК 0.02-0.76 0.17 52.2-712 265 0.70525-0.71466

Доломиты

АА 0.76-35.7 7.9 13.6-462 98.6 0.70717-0.72295

УК 0.03-0.67 0.14 9.9-102 48.3 0.70577-0.70847

Проведенные модельные расчеты показали, что выщелачивание легкоподвижных Ш> и Бг из обменных позиций алюмосиликатных минералов способно дать не более 25% ЯЬ и не более 3-4% Бг, присутствующих в АА-фазе каратавских образцов. Такое количество выщелачиваемого Бг даже со значительной радиогенной добавкой абсолютно недостаточно для того, чтобы отношения 875г/86Бг в АА-фазе становились столь высокими, подобное объяснение тем более не пригодно для образцов, где силикокластическая примесь отсутствует. Отсюда следует, что обработка раствором ацетата аммония приводит к частичному растворению и отделению поздних генераций кальцита и кальциевых доломитов, находящихся на поверхности карбонатных зерен и/или в виде микровключений. Эпигенетическая природа этих генераций подчеркивается положительной корреляцией между величиной 878г/8бБг в АА-фазе каратавских известняков и отношениями Ре/Бг (коэффициент корреляции г=0.72) и Мп/Бг (г=0.68) в валовой карбонатной составляющей этих же образцов. Необходимость использования методики селективного растворения подтверждается тем, что вычисленные первичные отношения 87Бг/86Бг в обогащенной основной карбонатной фазе (УК-фазе) для большинства образцов не совпадают с этими же отношениями в валовой карбонатной составляющей породы. В каратавских известняках это несоответствие может достигать 0.00062 и в среднем составляет 0.00008. В доломитах же первичные отношения 87Бг/86Бг для валовой карбонатной составляющей могут быть как завышены на 0.00018, так и занижены на 0.00028, по сравнению с таковыми в УК-фазе.

В дальнейшем обсуждении при характеристике ЛЬ-Бг систем каратавских карбонатов использованы величины отношения 87Бг/86Бг только обогащенных первичных карбонатных УК-фаз соответствующих образцов (табл. 2).

Таблица 2. Ш)-Бг данные для основной карбонатной УК-фазы

каратавских осадочных и трещинных карбонатов

Свита "'ЯЬЛБг измереннное "ЪгЛЗг первичное

Укская 0.0002-0.0423 0.70538-0.71188 0.70537-0.71187

Миньярская (доломиты) 0.0015-0.0309 0.70577-0.70847 0.70574-0.70825

Миньярская (известняки) 0.0003-0.0029 0.70562-0.70660 0.70560-0.70658

Инзерская 0.0001-0.0083 0.70525-0.70648 0.70525-0.70645

Катавская 0.0006-0.0154 0.70611-0.71466 0.70608-0.71461

Трещинные карбонаты 0.0008-0.0110 0.70820-0.72472 -

Глава 5. Причины нарушения и оценка степени сохранности первичного изотопного состава 5г в осадочных карбонатах каратавской серии

Постседиментационные преобразования карбонатных пород. Присутствие в изученных породах каратавской серии некогенетичных карбонатных фаз и нарушение их первичной Шэ-Бг систематики несомненно являются результатом постседиментационных преобразований. Последние контролировались структурно-минералогическими, литологическими и тектоническими факторами, которые в той или иной степени были связаны между собой.

К группе минералогических факторов следует отнести наличие в карбонатных породах силикокластической примеси, доля которой обнаруживает положительную корреляцию с отношением 878г/868г в обеих растворимых карбонатных фазах. Присутствие в породе значительного количества тонкодисперсного глинистого материала стало причиной обогащения карбонатной составляющей Ре, Мп, ЛЬ и радиогенным 87Бг. Этот процесс происходил в обстановке погружения в закрытой системе и в наибольшей степени затронул известняки катавской свиты, образцы которой содержат устойчиво высокую долю преимущественно глинистой примеси (в среднем 14.3%) и характеризуются самыми высокими отношениями 878г/86Бг (0.70608-0.71461). Однако упомянутая зависимость между долей силикокластической примеси и отношением 878г/868г во всех каратавских известняках для АА-фазы сильнее (коэффициент корреляции г=0.89), чем для УК-фазы (1=0.63). Это предполагает, что обработка образцов ацетатом аммония позволяет в значительной мере удалить эпигенетическую карбонатную фазу.

Другой причиной нарушения изотопно-геохимических систем каратавских карбонатов стала перекристаллизация в открытой системе с участием подземных вод, отжатых из смежных песчано-глинистых пород в обстановке продолжительного погружения. Это хорошо прослеживается по обогащению карбонатных пород Мп, Бе и Шэ вблизи контакта с терригенным толщами, особенно субаркозового и аркозового состава. Более того, образцы, отличающиеся высокой степенью стилолитизации, наряду с образцами, пронизанными системой микротрещин, демонстрируют повышенные значения 87Бг/868г по сравнению с таковыми в одновозрастных образцах из паралелльных разрезов: карбонаты катавской и инзерской свит в Алатауском

антиклинории в среднем соответственно - 0.7085 и 0.7058, а образцы тех же свит в Каратауском комплексе - 0.7065 и 0.7054. Самые высокие отношения 87Sr/ä6Sr (в среднем 0.7115) наблюдаются в известняках катавской свиты из восточных разрезов (Инзерский синклинорий), где мощность силикокластических пачек резко преобладает над мощностью карбонатных.

Проникновение подземных флюидов по системе трещин, заложенных в момент тектонической деформации каратавских отложений в палеозое, привело к частичной дедоломитизации доломитов нижней части миньярской свиты. В группе "кальциевых" доломитов, где чаще всего встречаются генерации крупнозернистого доломита, все образцы имеют высокие значения отношений Mn/Sr и Fe/Sr, а величины отношения 87Sr/86Sr в них - 0.70753-0.70825 близки к таковому в трещинном доломите - 0.70820.

Диагенез в метеорной обстановке был еще одной причиной нарушения первичных изотопно-геохимических характеристик карбонатов, слагающих верхние горизонты миньярской и укской свит. Взаимодействие с пресными водами привело к формированию пустот выщелачивания, частичной перекристаллизации и развитию поздних генераций кальцита и доломита. Все известняки и доломиты из кровли миньярской свиты (в интервале 20-30 м) имеют высокие содержания Ми (до 2940 мкг/г) и Fe (до 1420 мкг/г), наряду с повышенными отношениями 87Sr/86Sr - 0.70600-0.70678. Rb-Sr системы небольшой группы укских известняков, содержащих генерации позднего кальцита, также были нарушены в ходе метеорного диагенеза, что подтверждается положительной корреляцией отношения 87Sr/86Sr в этих образцах (0.70593-0.70799) с отношениями Mn/Sr (0.29-0.68) и Fe/Sr (2.3-8.4). Однако для диагенетического флюида, воздействовавшего на укские известняки, были характерны низкие величины Mn/Sr и Fe/Sr. Такой флюид мог образоваться в результате смешения метеорных вод с большим объемом постукской (вендской) морской воды. Поскольку содержание Sr в морской воде много выше, чем в пресной, значения отношения 87Sr/86Sr в этом флюиде были близки\ к отношению в вендском океане - 0.7066-0.7085.

Разработка адекватных геохимических критериев отбора наименее измененных образцов. Используемые в литературе варианты геохимического подхода к оценке степени постседименгационных преобразований карбонатов еще далеки от совершенства и имеют ряд недостатков. В частности, для выявления образцов с минимально

нарушенными Шэ-8г изотопными системами различные авторы используют не только разные наборы, но и неодинаковые величины одних и тех же элементных отношений (Мп/Бг, Са/Бг, Ре/Бг и ИЬ/Бг). Обобщение литературного опыта позволило внести некоторую системную основу в традиционный геохимический подход. На первом этапе был обоснован оптимальный набор геохимических параметров и установлены их предварительные величины, а на втором этапе -предложенные величины были ужесточены с учетом петрографических и изотопных характеристик карбонатов каратавской серии и описанной выше картины их вторичных преобразований.

На предварительном этапе в качестве критериев отбора неизмененных образцов были взяты отношения МпУБг<1 и Ре/5г<10. При этом величина содержания Бг в указанных отношениях не ограничивалась, в то время как для числителя был установлен верхний предел, равный 300 мкг/г (Мл) и 3000 мкг/г (Ре). Последнее обусловлено тем, что наиболее существенным результатом диагенетической перекристаллизации является не степень потери Бг карбонатом, а количество приобретенных им Мл и Ре (по этой же причине величина Са/Бг, как величина обратная содержанию Бг, не была использована в качестве критерия отбора). Обогащение же карбонатной породы Мп и Ре - важный показатель присутствия в ее норовых пространствах подземных и/или метеорных вод, являющихся носителями не только этих элементов, но и стронция с другим изотопным составом. Отбор неизмененных образцов на основе каких-либо известных критических значений Шэ/Бг, предложенных разными авторами, не мог применяться в настоящей работе из-за особенностей использованной нами химической методики, которая позволяла удалить до 2/3 всего Шэ на этапе, предшествующем растворению первичного карбоната. Вследствие этого, в качестве одного из предварительных критериев отбора было установлено значение содержания Ш)<0.5 мкг/г.

Карбонатный образец (кальцит или доломит), не отвечающий хотя бы одному из указанных предварительных критериев, считался измененным. Среди исследованных каратавских карбонатов 40 удовлетворяют всем предварительным критериям. Отношение 878г/86Бг в этих «неизмененных» карбонатах заключено в пределах 0.705250.70741, тогда как в «измененных» образцах оно колеблется от 0.70541 до 0.71461. Хотя интервал вариаций упомянутого отношения в «неизмененных» образцах достаточно узок, заметный разброс отношении для карбонатов одних и тех же горизонтов означает

их загрязнение внешним 87Бг и предполагает неполную адекватность предварительных критических величин Мл/Б г и Ре/Бг.

Очевидно, что упомянутый разброс является результатом постседиментационных преобразований карбонатов, происходивших в глубинной и/или метеорной обстановках. Учет перечисленных выше в этой главе конкретных преобразований в совокупности с петрографической оценкой степени перекристаллизации карбонатных пород позволил исключить из числа «неизмененных» еще 10 образцов. Таким образом, из всех изученных образцов лишь 30 не подверглись существенным постседиментационным изменениям. В эту группу входят почти все известняки инзерской свиты, большая часть "магнезиальных" доломитов и все известняки в основании миньярской свиты, а также слабопроницаемые микриты, преобладающие в составе карбонатной части разреза укской свиты. За исключением последних, все образцы происходят из разрезов Каратауского комплекса. Их геохимические параметры послужили основой для корректировки предварительных величин критериев отбора. Таким образом, для каратавских карбонатов получен набор геохимических критериев с более жесткими величинами по сравнению с предлагавшимися ранее: для говестняков Мп/Бг<0.8, Ре/Бт<9 и ЯЬ<0.5 мкг/г, а для доломитов -Мп/Бг<1, Ре/Бг<4 и Ш)<0.2 мкг/г.

Значения первичного отношения 87Бг/86Бг в УК-фазе образцов, удовлетворяющих приведенным выше геохимическим критериям, лежат в интервале 0.70525-0.70611 и рассматриваются как пригодные для реконструкции изотопного состава Бг в морской воде позднего рифея. Оценка потенциальных источников Бг на территории Башкирского региона показывает, что в диагенезе карбонатов каратавской серии могли участвовать воды с отношением 87Бг/8бБг не ниже 0.7066. Следовательно, можно полагать, что взаимодействие с внешним флюидом способно было приводить только к повышению, а не к понижению величин 87Бг/86Бг в карбонатах каратавской серии. Отношения 87Бт/8бБг в трещинных карбонатах - 0.70820-0.72472 подтверждают это предположение. Сделанное заключение чрезвычайно важно для последующего обсуждения, так как полученные для каратавских карбонатов значения 87Бг/86Бг от 0.70525 до 0.70611 много ниже опубликованных в мировой литературе для этого возрастного интервала.

/

Глава 6. Вариации отношения в позднерифейской

морской воде

Большая часть всех проведенных за последнее десятилетие исследований, посвященных реконструкции изотопного состава Sr в докембрийских океанах, сконцентрирована на изучении осадочных последовательностей рифея и венда. Однако выбор наименее измененных образцов в некоторых последовательностях кажется не всегда оправданным, и сопоставление построенных по таким образцам кривых вариаций отношения ^Sr/^Sr нередко оказывается затруднительным. Поэтому Rb-Sr изучение карбонатов в типовом разрезе верхнего рифея существенно расширяет современные представления о вариациях отношения

87Sr/86Sr в позднерифейском

палеоокеане.

Реконструированные по каратавским карбонатам вариации отношения 87Sr/86Sr в морской воде позднего рифея показывают (рис. 1), что 890-660 млн. лет назад это отношение колебалось в пределах 0.70525-0.70611. В раннеинзерское время (890-835 млн. лет) в палеоокеане зафиксированы относительно стабильные и низкие значения

87Sr/86Sr, равные 0.70525-0.70538. В позднеинзерское время (820-804 млн. лет) это отношение повысилось до 0.70555-0.70566. В течение миньярского и до начала укского времени (790-695 млн. лет) отмечался плавный рост отношения

"Sr/86Sr с 0.70560 до 0.70600, на фоне которого около 710 млн. лет назад наблюдается кратковременное повышение этого значения до 0.70611. На протяжении укского времени отношение 87Sr/85Sr в морской воде оставалось относительно стабильным в пределах 0.70582-0.70598, за исключением резкого провала до 0.70540 670-665 млн. лет назад.

Значения 87Sr/86Sr

для морской воды раннеинзерского времени удачно стыкуются со значениями, опубликованными для морской воды самого начала позднего рифея (1000-900 млн. лет). Последние были получены при исследовании известняков свиты буровой Туруханского поднятия - 0.70522-0.70537 (Горохов и др., 1995) и известняков нерюенской свиты лахандинской серии Учуро-Майского района -0.70519-0.70550 (Семихатов и др., 1998). В типовом разрезе рифея этот возрастной интервал не охарактеризован из-за отсутствия карбонатов в зильмердакской свите и значительных постседиментационных преобразований карбонатов катавской свиты. Все остальные неизмененные карбонаты инзерско-укского уровня (890-660 млн. лет)

демонстрируют значительно более низкие отношения 87Sr/86Sr, по сравнению с опубликованными различными авторами данными для морской воды второй половины позднего рифея. К последним относятся два-три десятка определений отношешш s7Sr/8CSr в образцах из не имеющих прямых изотопных датировок верхнерифейских терригешю-карбонатных последовательностей серии Шалер в Северной Канаде - 0.70561-0.70676 (Asmerom et al., 1991) и серии Академикербрин на Шпицбергене - 0.70620-0.70720 (Derry et al 1989,

1992). Величины 87Sr/86Sr в предвендских укских известняках (0.705370.70598) сопоставимы с этими величинами в карбонатах из основания серии Полярисбрин на Шпицбергене - 0.70661-0.70683 (Kaufman et al.,

1993), отложения которой несогласно залегают на отложеш1ях верхнего рифея и содержат в своем составе тиллиты варангерского гляциогоризонга, маркирующего нижнюю границу венда

Сопоставление каких-либо известных глобальных геологических событий с отдельными экстремумами, вырисовывающимися на уральском участке кривой эволюции изотопного состава Sr в позднерифейской морской воде, еще преждевременно и станет возможным только после подтверждения конфигурации этой кривой в одновозрастном разрезе в любом другом регионе. Однако статус типового рифейского разреза, отличающегося надежными геохронологическими характеристиками, жесткость критериев отбора образцов, положенных в основу проведенных реконструкций, и использованная методика двустадийной химической обработки позволяют считать приведенные значения лучшим на сегодня приближением к величинам 87Sr/86Sr в морской воде второй половины позднего рифея. Совместное рассмотрение этих результатов с методически аналогичными Sr-изотопными данными по верхнерифейским известнякам Туруханского и Учуро-Майского регионов показывает, что 1) отношение 87Sr/86Sr в морской воде большей части позднего рифея не выходило за пределы узкого интервала 0.70519-0.70611, и 2) мантийный поток Sr в Мировой океан того времени преобладал над континентальным стоком. Привлечение представительных Sr-изотопных данных по вендским карбонатам серии Полярисбрин на Шпицбергене и серии Нама в Южной Африке (Kaufman et al., 1993) позволяет сделать вывод о коренном изменении характера эволюции изотопного состава Sr в морской воде на границе позднего рифея и венда. В частности, можно говорить о смене относительно длительного этапа преобладания низких отношений

873г/863г в морской воде позднего рифея этапом резкого роста этого отношения в океанах венда: от 0.7054-0.7060 в конце укского времени через 0.7066 в самом начале венда до 0.7087 в начале кембрия. Это открывает новые перспективы для использования метода СИС при датировании и корреляции морских карбонатов венда, поскольку разрешающая способность метода в этом возрастном интервале сможет достигать +5 млн. лет.

87Sr/86Sr

Возраст, млн. лет

Рис. 1. Сравнение опубликованных кривых вариаций изотопного состава Sr в позднепротерозойской морской воде:

I - по карбонатам карагавской серии; V - Asmerom et al., 1991;

II - Горохов и др., 1995; VI - Deny et al., 1989, 1992;

III - Семихатов и др., 1998; VII - Kaufman et al., 1993;

IV - Veizer et al., 1983; VIII - Burke et al., 1982.

Заключение

1. Комплекс петрографических и изотопно-геохимических методов позволил выделить в карбонатных породах каратавской серии Южного Урала - стратотипа верхнего рифея - представительную группу образцов, КЬ-Бг системы которых в наименьшей степени затронуты постседиментационными преобразованиями. Эти образцы характеризуются низкой степенью перекристаллизации (микриты, микроспариты), сохранностью первичных седиментационных структур, отсутствием генераций метеорных и поздних крупнозернистых карбонатных цементов, и удовлетворяют группе более жестких геохимических критериев по сравнению с предлагавшимися в литературе: для известняков Мп/8г<0.8, Ре/3г<9 и Ш)<0.5 мкг/г, а для доломитов - Мп/8г<1, Ре/Бг<4 и Шз<0.2 мкг/г. Подавляющая часть известняков инзерской свиты, часть доломитов и известняков миньярской свиты и большая часть известняков укской свиты соответствуют всем перечисленным выше параметрам.

2. Диагенез глинистых известняков катавской свиты, группы "кальциевых" доломитов в нижней части миньярской свиты и единичных образцов инзерской свиты происходил в обстановке погружения как в закрытой системе в присутствии радиогенного "Бг, заимствованного из тонкодисперсной сшшкокластической примеси, так и в открытой системе при участии подземных растворов, отжатых из смежных песчано-глинистых толщ. Первичные изотопно-геохимические характеристики карбонатов кровли миньярской свиты и небольшой части карбонатов укской свиты были нарушены в результате метеорного диагенеза при поступлении поверхностных вод в моменты субаэральных вскрытий.

3. Предварительная обработка каратавских образцов Ш раствором ацетата аммония способствует частичному удалению эпигенетических кальцитов и кальциевых доломитов, находящихся на поверхности карбонатных зерен и/или присутствующих в виде микровключений. Использование ЛЬ-Бг данных, полученных по обогащенным первичным карбонатным фазам, позволило увеличить надежность оценки отношения 87Бг/868г в позднерифейском палеоокеане.

4. Основанный на изучении типового разреза верхнего рифея фрагмент кривой эволюции изотопного состава Бг в морской воде 890-660 млн. лет назад обнаруживает незначительные вариации отношения

87Sr/86Sr от 0.70525 до 0.70611. Амплитуда вариаций и величины отношения 87Sr/86Sr на этом участке кривой существенно отличаются от известных для верхнерифейских последовательностей этого же возрастного интервала. Между тем полученные значения согласуются с опубликованными значениями 87Sr/86Sr в морской воде самого начала позднего рифея (1000-900 млн. лет) и начала венда (610 млн. лет).

5. Низкие величины отношения 87Sr/86Sr для морской воды большей части позднего рифея свидетельствуют о господствующей роли мантийного потока Sr в океаны того времени.

Список работ, опубликованных по тане диссертации:

1. Горохов И.М., Семихатов М.А., Кузнецов А.Б., Мельников Н.Н. Отношение 87Sr/86Sr в средне- и позднерифейском океане И XIV Симпозиум по геохимии изотопов. Тез. докл. ГЕОХИ РАН. Москва. 1995. С. 49-50.

2. Кузнецов А.Б., Горохов И.М., Мельников Н.Н., Константинова Г.В., Кутявин Э.П., Турченко Т.П. Rb-Sr систематика постседиментационных изменений в карбонатных породах каратауской серии, Южный Урал // XIV Симпозиум по геохимии изотопов. Тез. докл. ГЕОХИ РАН. Москва. 1995. С. 126-127.

3. Семихатов М.А., Кузнецов А.Б., Горохов ИМ., Мельников Н.Н., Константинова Г.В., Козлов В.И. Колебания изотопного состава стронция в позднерифейском океане: предварительные данные // Общие проблемы стратиграфии и геологической истории рифея Северной Евразии. Тез. докл. ИГГ УрО РАН. Екатеринбург. 1995. С. 106-107.

4. Gorokhov 1.М., Semikhatov М.А., Kuznetsov А.В., Melnikov N.N., Konstantinova G.V., Kozlov V.I. Strontium isotopic composition in Upper Riphean limestones of the Inzer Formation, the South Urals // Precambrian of Europe: Stratigraphy, Structure, Evolution and Mineralization, MAEGS 9. Absttacts. StPetersburg. 1995. P. 38-39.

5. Kuznetsov A.B., Gorokhov I.M., Ovchinnikova G.V., Konstantinova G.V., Kutyavin E.P., Melnikov N.N., Vasilyeva I.M., Turchenko T.L., Kozlov V.I., Belyatsky B.V. Post-sedimentary alteration of Upper Riphean limestones of the Katav Formation, The South Urals: chemical and isotopic evidence II Precambrian of Europe: Stratigraphy, Structure, Evolution and Mineralization, MAEGS 9. Abstracts. StPetersburg. 1995. P. 60.

6. Kuznetsov A.B., Semikhatov M.A., Gorokhov I.M., Melnikov N.N. Isotopic composition of strontium in Late Riphean seawater: the impact of global tectonics // 5th Zonenshain Conference on Plate Tectonics. Programme and Abstracts. Moscow. 1995. P. 220-221.

7. Gorokhov 1.М., Semikhatov M.A., Kuznetsov A.B., Melnikov N.N. Improved reference curve of Late Proterozoic seawater 87Sr/84Sr // Proceedings of the 4th Intemat. Symposium on the Geochemistry of the Earth's Surface. Theme 5. Land-Atmosphere-Hydrosphere Interactions. Leeds. 1996. P. 714-717.

8. Gorokhov I.M., Semikhatov M.A., Ovchinnikova G.V., Kuznetsov A.B., Melnikov N.N. Lead and strontium isotopes in ancient carbonates from the Urals and Siberia: Evolution of seawater "Sr/^Sr over the Late Proterozoic // 6th V.M. Goldschmidt Conférence. J. Conf. Abs. 1996. V. 1. № 1. P. 207.

9. Kuznetsov A.B., Gorokhov I.M., Melnikov N.N., Konstantinova G.V., Kutyavin E.P., Turchenko T.L. Carbonate diagenesis of the Karatau Group rocks, the South Urals: Chemical and Sr isotopic evidence // 6th V.M. Goldschmidt Conférence. J. Conf. Abs. 1996. V. 1. № l.P. 341.

10. Кузнецов А.Б., Горохов И.М., Мельников H.H., Константинова Г.В., Кутявин Э.П., Турченко Т.Л., Козлов В.И. Изотопные разновидности Sr в известняках каратауской серии // Рифей Северной Евразии. Геология. Общие проблемы стратиграфии. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. С. 182-186.

11. Кузнецов А.Б., Семихатов М.А., Горохов И.М., Мельников Н.Н. Изотопный состав стронция в известняках инзерской свиты стратотипа верхнего рифея, Южный Урал // Докл. Акад. наук. 1997. Т. 353. № 2. С. 249-254.

12. Подковыров В.Н., Кузнецов А.Б., Семихатов М.А., Горохов И.М., Виноградов Д.П. Изотопный состав С и Sr в карбонатных породах стратотипа верхнего рифея (каратавская серия Южного Урала) // Докембрий Северной Евразии. Тез. докл. ИГГД РАН. С-Петербург. 1997. С. 84.

13. Кузнецов А.Б., Горохов ИМ., Семихатов М.А., Мельников Н.Н., Константинова Г.В. Отношение 87Sr/86Sr в морской воде в конце позднего рифея: известняки укской свиты. Южный Урал // Осадочные формации докембрия и их рудоносность. Тез. докл. ИГГД РАН. С-Петербург. 1998. С. 31-32.

14. Кузнецов А.Б., Горохов ИМ., Семихатов М.А., Мельников Н.Н., Константинова Г.В., Кутявин Э.П., Турченко Т.Л. Доломитизация верхнерифейских карбонатов миньярской свиты, каратавская серия, Южный Урал // Осадочные формации докембрия и их рудоносность. Тез. докл. ИГГД РАН. С-Петербург. 1998. С. 31.

15. Семихатов М.А., Кузнецов А.Б., Горохов И.М., Мельников Н.Н., Подковыров

B.Н., Кутявин Э.П. Преобладание мантийного Sr в морской воде начала позднего рифея: кратковременное событие или устойчивая тенденция? // Осадочные формации докембрия и их рудоносность. Тез. докл. ИГГД РАН. С-Петербург. 1998.

C. 65-66.

16. Семихатов М.А., Горохов И.М., Кузнецов А.Б., Подковыров В.Н., Мельников Н.Н., Кислова И.В. Изотопный состав Sr в морской воде в начале позднего рифея: известняки лахандинской серии Учуро-Майского региона Сибири // Докл. Акад. наук. 1998. Т. 360. №2. С. 236-240.

17. Овчинникова Г.В., Васильева И.М., Семихатов М.А., Кузнецов А.Б., Горохов И.М., Гороховский Б.М., Левский Л.К. U-Pb систематика карбонатных пород протерозоя: инзерская свита стратотипа верхнего рифея, Южный Урал. // Стратиграфия. Геол. корреляция. 1998. Т. 6. № 4. С. 20-31.

18. Подковыров В.Н., Семихатов М.А., Кузнецов А.Б., Виноградов Д.П., Козлов В.И., Кислова И.В. Изотопный состав карбонатного углерода в стратотипе верхнего рифея (каратавская серия Южного Урала) // Стратиграфия. Геол. корреляция. 1998. Т. 6. № 4. С. 3-19.

Подписано к печати 27.10.98. Заказ 278 Тираж 120 Объем 1,25 п.л. ЦОП СПГУ. 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова,6.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Кузнецов, Антон Борисович, Санкт-Петербург

0-1: чу-ц/85 -ц

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И ГЕОХРОНОЛОГИИ ДОКЕМБРИЯ

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ АНТОН БОРИСОВИЧ

УДК 54.02:546.42:552.54:551.72 (470.55/.57)

ЭВОЛЮЦИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА СТРОНЦИЯ В ПОЗДНЕРИФЕЙСКОЙ МОРСКОЙ ВОДЕ: КАРБОНАТЫ КАРАТАВСКОЙ СЕРИИ ЮЖНОГО УРАЛА

Специальность: 04.00.02 (геохимия)

диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук Горохов Игорь Михайлович

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Оглавление.

Введение.....................................................................................................5

Глава 1. Литературный обзор........................................................................9

1.1. Основы ВЬ-Эг систематики.....................................................................9

1.2. Геохимия Бг в гидросфере.................................................................... 11

1.2.1. Содержание и изотопный состав Бг в современном океане................ 11

1.2.2. Основные источники и потоки Бг, потупающего в океан ...................... 13

'1.2.2.1. Континентальный речной сток...................................................... 14

1.2.2.2. Континентальный подземный сток ................................................ 16

1.2.2.3. Гидротермальный поток в области срединно-океанических хребтов 17

1.2.2.4. Подводно-базальтовый поток....................................................... 18

1.2.2.5. Диагенетический карбонатный поток............................................ 18

1.2.3. Баланс потоков Зг в морской воде..................................................... 19

1.3. Изотопный состав Эг в осадочных карбонатах как

средство хемостратиграфин..................................................................20

1.3.1. Карбонаты - природный материал для реконструкции

отношения а73г/883г в морской воде прошлого....................................20

1.3.2. Становление стронциевой изотопной стратиграфии...........................25

1.3.3. Необходимые условия для восстановления отношения а/Зг,/3ь5г

в древней морской воде...................................................................28

1.3.4. Возможности стронциевой изотопной стратиграфии

(корреляция и геодинамический аспект)............................................31

1.3.5. Особенности и опыт построения кривых вариаций отношения З73г/863г в докембрийских океанах.................................................................... 32

1.4. Постседиментационные преобразования карбонатных осадков и пород.. 36 1.4.1. Диагностика постседиментационных преобразований.........................36

1.4.1.1. Рассеянные элементы..................................................................38

1.4.1.2. Изотопы кислорода .....................................................................41

1.4.1.3. Изотопы Бг............................................................-.....................43

1.4.2. Примеры диагенеза карбонатов в разных обстановках.......................47

1.4.2.1. Морская обстановка погружения, удаленная от континента..........50

1.4.2.2. Метеорно-морская обстановка, удаленная от континента.............53

1.4.2.3. Метеорно-морская обстановка на континентальном блоке............54

1.4.2.4. Глубинная обстановка на континентальном блоке.........................58

1.5. Выводы.................................................................................................61

Глава 2. Каратавская серия Южного Урала как геологическая основа для реконструкции изотопного состава Зг позднерифейской морской воде........64

2.1. Литостратиграфия типового разреза рифея..........................................64

2.2. Изотопный возраст пород каратавской серии .......................................73

Глава 3. Методика исследований.................................................................75

3.1. Изучение ВЬ-Эг систематики................................................................76

Глава 4. Результаты....................................................................................88

4.1. Минералогическое и петрографическое изучение карбонатов...............88

4.1.1. Катавская свита.............................................................................88

4.1.2. Инзерская свита ............................................................................94

4.1.3. Миньярская свита..........................................................................97

4.1.4. Укская свита................................................................................. 102

4.2. ВЬ-Бг изотопная характеристика растворимых карбонатных фаз.......... 105

4.2.1. Модельные расчеты ЯЬ-вг систематики АА-фазы ........................... 110

4.2.2. Природа растворимой в ацетате аммония карбонатной фазы......... 117

4.3. Геохимическая и изотопная характеристика карбонатных пород...........119

4.3.1. Катавская свита............................................................................ 119

4.3.2. Инзерская свита........................................................................... 131

4.3.3. Миньярская свита......................................................................... 138

4.3.4. Укская свита................................................................................. 149

Глава 5.' Постседиментационные преобразования карбонатов

каратавской серии........................................................................ 157

5.1. Источники Бг во флюидах, принимавших участие в диагенезе

каратавских карбонатов.......................................................................158

5.2. Геохимические параметры для оценки сохранности первичного отношения s7Sr/86Sr в каратавских карбонатах..................................... 161

5.3. Причины нарушения изотопно-геохимических систем

в карбонатах каратавской серии.......................................................... 168

5.3.1. Контаминация веществом силикокластической примеси................... 169

5.3.2. Перекристаллизация при участии элизионных вод ............................. 171

5.3.3. Метасоматическое замещение в моменты тектонической деформации.................................................................................... 178

5.3.4. Взаимодействие с метеорно-морскими водами................................ 179

Глава 6. Вариации отношения â/Sr/8o3r в позднерифейской морской воде ..184

6.1. Каратавские карбонаты, сохранившие первичное отношение a'Sr/36Sr морской воды...................................................................................... 184

6.2. Форма каратавского участка Sr кривой и

ее сравнение с опубликованными литературными данными ................. 188

Заключение............................................................................................... 195

Список литературы.................................................................................... 197

Введение

Актуальность работы. Метод стронциевой изотопной (хемо)стратиграфии (СИС) опирается на изучение вековых вариаций изотопного состава Sr в морской воде палеоокеанов и привлекается для решения ряда важных геологических задач: корреляции и датирования древних морских осадков, определения степени замкнутости отдельных палеобассейнов и оценки глобальной геодинамической обстановки.

Работа по изучению изотопного состава стронция в докембрийских карбонатах заметно активизировалась только в последнее десятилетие и охватывает главным образом карбонаты рифея и венда. Однако общий объем проведенных здесь исследований составляет менее 3% от объема аналогичных исследований в фанерозое. Полученные результаты еще настолько обрывочны, что лишь с большими допущениями позволяют построить единую кривую колебания отношения 8/Sr/S6Sr даже для среднерифейско-вендских океанов. Основными причинами, сдерживающими распространение СИС в огромном по продолжительности протерозое являются: 1) фрагментарность геологической летописи; 2) недостаток объектов имеющих надежную и точную привязку к хронометрической шкале, без которой невозможна возрастная калибровка кривой вариаций изотопного состава Sr; 3) значительные постседиментационные нарушения изотопных систем осадочных карбонатов, обусловленные древностью пород. Преодоление этих трудностей возможно, с одной стороны, путем исследования типовых или хорошо коррелируемых со стратотипами осадочных последовательностей, а с другой стороны, путем совершенствования методики выбора наименее измененных образцов на основе группы геохимических критериев и применением методики селективного растворения пород, В качестве объекта исследования был выбран типовой разрез верхнего рифея - каратавекая серия Башкирского антиклинория на Южном Урале.

Цель работы. Реконструкция вариаций изотопного состава стронция в позднерифейской морской воде на основе первичных отношений а7Зг/66Эг в наименее измененных карбонатах стратотипа верхнего рифея - каратавской серии Южного Урала.

Основные задачи исследования: 1) Изучение петрографических и геохимических особенностей карбонатных пород в типовых разрезах верхнего рифея Южного Урала; 2) Выявление признаков и типа постседиментационных процессов, приведших к преобразованию изотопно-геохимических систем карбонатных пород каратавской серии; 3) Разработка геохимических критериев для отбора карбонатных образцов с наименее измененными в ходе литогенеза ЯЬ-Бг системами; 4) Оценка эффективности удаления вторичного карбонатного материала из исследуемых образцов при лабораторном двустадийном растворении (предварительном выщелачивании раствором ацетата аммония).

Научная новизна. Продемонстрировано влияние различных постседиментационных процессов на изотопно-геохимические характеристики карбонатных пород стратотипа верхнего рифея. Показано., что ЯЬ-Эг системы глинистых известняков катавской свиты, группы "кальциевых" доломитов в нижней части миньярской свиты и единичных образцов инзерской свиты преобразованы в ходе диагенеза погружения. Изменение первичных изотопно-геохимических характеристик карбонатов кровли миньярской свиты и небольшой части карбонатов укской свиты произошло в результате метеорного диагенеза при поступлении поверхностных вод в моменты субаэральных вскрытий.

Установлено, что отношения 873г/863г в позднерифейском палеоокеане были значительно более низкими, чем считалось на основании имеющихся литературных данных. Достоверность реконструированных значений отношения 875г/в65г обоснована отбором образцов из эталонного разреза верхнего рифея, комплексом геохимических критериев, использованных при оценке степени нарушения изотопных систем карбонатов и выборе материала для исследования, а также удалением значительной части вторичных карбонатов с помощью специальной химической обработки образцов.

Установлена ведущая роль мантийного потока стронция для палеоокеанов большей части позднерифейского времени.

Основные защищаемые положения:

1) Rb-Sr системы карбонатных пород каратавской серии неравномерно преобразованы процессами эпигенеза. Наилучшая сохранность первично-осадочных петрографических и изотопно-геохимических характеристик свойственна подавляющей части известняков инзерекой свиты, части доломитов и известняков миньярской свиты и большей части известняков укской свиты.

2) Отбор наименее измененных образцов, пригодных для реконструкции изотопного состава Sr в морской воде позднего рифея, требует использования методики двустадийной химической обработки карбонатов и комплекса жестких геохимических критериев (для известняков - Mn/SrCO.8, Fe/Sr<9 и Rb<0.5 мкг/г, для доломитов - Mn/Sr<1, Fe/Sr<4 и Rb<0.2 мкг/г).

3) Отношение 8'Sr/86Sr в морской воде 890-660 млн. лет назад колебалось в пределах 0.70525-0.70611, указывая на то, что позднерифейский океан пополнялся преимущественно мантийным Sr, извлеченным из базальтового материала.

Практическое значение работы. Реконструированный участок кривой вариаций отношения s7Sr/36Sr в морской воде позволяет: 1) оценить относительный вклад корового и мантийного материала в общий баланс вещества в позднермфеиском палеоокеане; 2) установить, что резкий рост отношения 37Sr/s6Sr в морской воде (от 0.7066 до 0.7085) приходился исключительно на вендское время, и тем самым повысить потенциальные возможности стронциевой изотопной стратиграфии на границе венд-кембрий.

Апробация и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Precambrian of Europe: Stratigraphy, Structure, Evolution and Mineralization, MAEGS-9 (С.-Петербург, 1995), Общие проблемы стратиграфии и геологической истории рифея Северной Евразии (Екатеринбург, 1995), 5th

Zonenshain Conference on Plate Tectonics (Москва, 1995}, 6th V.M.Goldschmidt Conference (Гейдельберг, 1996), 4th Symposium on the Geochemistry of the Earth's Surface, (Лидс, 1996), Докембрий Северной Евразии (С.-Петербург,

1997), Осадочные формации докембрия и их рудоносность (С.-Петербург,

1998). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 190 страниц состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы, включающего 180 наименований, содержит 28 рисунков и 32 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю И.М.Горохову. Выполнение этой работы было бы невозможно без поддержки со стороны внимательных коллег Т.Л.Турченко, Г.В.Константиновой, А.В.Баскакова, Э. П. Кутя вина и Н.Н.Мельникова - передававших свой профессиональный опыт. Автор высоко ценит помощь М.А.Семихатова, с которым он имел возможность неоднократно консультироваться в процессе работы. Особую благодарность автор выражает южноуральским геологам ИГ БНЦ РАН: В.И.Козлову, П.Н.Михайлову, Н.Д.Сергеевой и Н.Н.Ларионову за предоставленную коллекцию каратавских карбонатов и помощь в ознакомлении с разрезами стратотипа верхнего рифея. Результаты изотопного анализа кислорода в каратавских карбонатах предоставлены Д.П.Виноградовым. При подготовке демонстрационного материала большую помощь оказали М.Д.Толкачев, М.Р.Павлов и В.В.Мещерин. Автор благодарен Н.Н.Мельникову и В.Н.Подковырову за ряд полезных критических замечаний.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Основы Rb-Sr систематики.

Стронций наряду с магнием и кальцием входит в группу щелочноземельных элементов. Несмотря на то, что ионный радиус Sr2* (1.13Ä) несколько больше, чем у Са2+ (0.99Ä), Sr может легко замещать Ca во многих минералах. Rb+ же имеет намного больший ионный радиус (1.48Ä), чем Са2+ и Sr2* и по этой величине близок к К+ (1.33Ä). Таким образом, двухвалентный Sr как рассеянный элемент входит в состав кальцийсодержащих минералов: карбонатов, сульфатов, плагиоклазов и фосфатов. Одновалентный же Rb предпочтительно замещает К в некоторых глинистых минералах, в мусковите, биотите и К-полевых шпатах.

Рубидий имеет два природных изотопа: стабильный - 85Rb и радиоактивный - 87Rb, с распространенностью 72.17% и 27.83%, соответственно (Faure, 1986). Стронций имеет четыре стабильных изотопа 88Sr, 87Sr, 86Sr и MSr, с распространенностями, соответственно около 82.53, 7.04, 9.87 и 0.56% (Faure, 1986). Относительные распространенности изотопов стронция изменяются во времени из-за образования радиогенного 87Sr за счет распада природного 87Rb. При радиоактивном распаде испускается /Г-частица, v- антинейтрино и выделяется энергия О, равная 0.275 МэВ.

87Rb-»87Sr+/T+v +Q (1.1)

Современное значение константы распада 87Rb, рекомендованное Подкомиссией по геохронологии Международного союза геологических наук, составляет 1.42 10"11 год1 (Davis et al., 1977; Steiger, Jäger, 1977). Накопление радиогенного 87Sr определяется выражением, выведенным из уравнения радиоактивного распада. Общее число атомов 87Sr в минерале зависит от возраста последнего Глет и первоначального количества 87Sr0 и 87Rb:

87Sr=87Sr0 + 87Rb (eXt-1) (1.2),

Уравнение (1.2) можно преобразовать путем деления каждого члена на число атомов стабильного 86Sr:

(87Sr/86Sr)= (87Sr/86Sr)o+(s7Rb/ssSr) (eXt-1) (1.3)

Первоначальный изотопный состав Sr Земли, сформировавшейся 4.5 млрд. лет назад, невозможно определить прямыми измерениями, поскольку породы той эпохи переработаны более поздними геологическими процессами. Поэтому для определения первоначального отношения 87Sr/86Sr молодой Земли были использованы каменные метеориты и лунные образцы, сохранившие память о моменте образования планет Солнечной системы. Наилучшее первичное отношение в базальтовых ахондритах (BABI), равное 0.69899±0.00005, опубликовано Папанастассиу и Вассербургом (Papanastassiou, Wasserburg, 1969). Близкое значение 0.698976±0.000055 получено по хондритовым метеоритам Ювинас (Allegre et al., 1975). Позже значение BABI было скорректировано относительно межлабораторного стандарта SRM-987 (87Sr/86Sr = 0.71014, см. п. 3.1, табл. 8) до значения 0.69897±0.00003 (Faure, 1986).

Эволюция изотопного состава стронция проходила с различной скоростью для каждого геохимического резервуара Земли, в прямой зависимости от отношения Rb/Sr в нем. Дифференциация верхней мантии с образованием континентальной коры сопровождалась обогащением последней минералами и породами, содержащими К и Rb. Вследствие существенно большего отношения Rb/Sr в коре, нежели в мантии (0.15 против 0.03, соответственно), отношение 87Sr/86Sr в усредненной континентальной коре увеличивалось значительно быстрее, чем в мантии. В настоящее время значение 87Sr/86Sr для верхней мантии лежит в пределах 0.704±0.002 (Faure, 1986), в то время как для пород континентальной коры оно колеблется в широких пределах, составляя в среднем около 0.711±0.005 (Veizer, 1989). Изотопное различие между континентальной корой и верхней мантией имеет фундаментальное значение для понимания эволюции изотопного состава Sr в морской воде.

и

1:2. Геохимия Sr в гидросфере.

Выветривание континентальных и океанических пород, а также вулканизм, включая гидротермальные источники, приводят к мобилизации вещества и началу геохимического цикла различных элементов. Последующая транспортировка осуществляется как в механической форме в виде обломков и частиц, так и в химической - в виде растворенных элементов или коллоидов. Как правило, в качестве конечного пункта сбора мобилизованного вещества, особенно растворенных элементов, выступают обширные водные бассейны, такие как моря и океаны. Для целей данной работы наибольший интерес представляет исключительно растворенная форма Sr, поскольку смешение только жидких продуктов с