УДК 551.72
ВОЗМОЖНОСТИ СТРОНЦИЕВОЙ ИЗОТОПНОЙ ХЕМОСТРАТИГРАФИИ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ СТРАТИГРАФИИ ВЕРХНЕГО ПРОТЕРОЗОЯ
(РИФЕЯ И ВЕНДА) © 2014 г. А. Б. Кузнецов*, М. А. Семихатов**, И. М. Горохов*
*Институт геологии и геохронологии докембрия РАН, Санкт-Петербург **Геологический институт РАН, Москва e-mail: antonbor9@mail.ru Поступила в редакцию 23.04.2014 г., получена после доработки 20.05.2014 г.
Выполнен обзор опубликованных и оригинальных данных о Sr-изотопной характеристике карбонатных пород, представляющих ключевые разрезы рифея и венда Южного Урала, Сибири, Азии, Африки, Австралии и Северной Америки. Предложены принципы и требования, необходимые для реконструкции изотопного состава Sr в протерозойской морской воде. На основе единого методического подхода построена стандартная кривая вариаций отношения 87Sr/86Sr в океанах рифея и венда. Отношение 87Sr/86Sr в океане 1600—1250 млн лет назад варьировало в узких пределах 0.70456— 0.70494, около 1030 млн лет назад оно повысилось до 0.70601—0.70611, а затем быстро понизилось до 0.70519—0.70523 около 1000 млн лет назад. Во второй половине позднего рифея и в венде это отношение преимущественно повышалось от 0.70521—0.70535 до 0.70874—0.70885 в позднем венде. На фоне неуклонного роста отношения 87Sr/86Sr в океане 840—550 млн лет назад отмечается несколько кратковременных стадий его значительного понижения до 0.70561—0.70575 около 760 млн лет назад и до 0.70533—0.70538 около 670—660 млн лет назад. После максимума в середине позднего венда оно понизилось до 0.70812—0.70823 в конце немакит-далдынского века и продолжило понижаться в томмотском веке раннего кембрия до 0.70806—0.70812. Продемонстрирована связь вариаций изотопного состава Sr в океанах рифея и венда с геосферными событиями того времени и этапами формирования суперконтинентов Родиния и Гондвана. На примере байкальского комплекса Сибири показана возможность метода в обосновании возраста стратиграфических подразделений.
Ключевые слова: стронциевая изотопная хемостратиграфия, карбонатные породы, протерозой, ри-фей, венд, стратиграфическое значение.
Б01: 10.7868/80869592X14060039
ВВЕДЕНИЕ
Проведенный в минувшее десятилетие анализ разрешающей способности хроностратиграфиче-ской шкалы верхнего протерозоя (рифея и венда) России внес важные коррективы в оценку фактического обоснования этой шкалы: было показано, что ортостратиграфической группой органических остатков в названной части геологической летописи являются органостенные и окремнен-ные микрофоссилии, главным образом их эвка-риотные разности (Семихатов, 2008; Сергеев и др., 2010). Одновременно с этим были выявлены возможности 8г-изотопной хемостратигра-фии в межрегиональной корреляции верхнепротерозойских морских биохемогенных (карбонатных и фосфатных) отложений, а также в привязке дискретных отрезков этих отложений к стратиграфической шкале на методической основе, независимой от биостратиграфических и/или изотопно-
геохронологических характеристик (Shields, 1999; Walter et al., 2000; McKirdy et al., 2001; Семихатов и др., 2002, 2004; Кузнецов и др., 2003а, 2006; Thomas et al., 2004 и др.). Таким образом, метод Sr-изотопной хемостратиграфии (Strontium Isotope Stratigraphy — SIS), который успешно зарекомендовал себя в фанерозое (McArthur, 1994; Veizer et al., 1999), стал независимым средством корреляции, а отчасти и расчленения карбонатных последовательностей верхнего протерозоя.
Метод SIS основан на анализе долговременных вариаций изотопного состава Sr в палеоокеа-нах и сообщавшихся с ними морях. В геологической истории отношение 87Sr/86Sr в океане варьировало под влиянием геодинамических факторов глобального масштаба (Hodell et al., 1989; Richter et al., 1992; Горохов и др., 1995а; Bradley, 2008; Och, Shields-Zhou, 2012 и др.). Причиной возникновения этих вариаций были крупные тектонические
перестройки в земной коре и верхней мантии, которые вызывали изменения баланса двух главных потоков стронция — континентального с высокими значениями отношения 87Sr/86Sr и мантийного с низкими значениями этого параметра. Главным поставщиком Sr в континентальный поток являются речные и подземные воды, выносящие радиогенный 87Sr из пород платформенных осадочных чехлов и обнаженных кристаллических фундаментов платформ. Источником Sr во втором потоке служат базальты океанических рифтов, а также продукты размыва островов и протяженных тектонических зон, сложенных мантийными базальтами. Средние значения 87Sr/86Sr в современном континентальном потоке оцениваются (в зависимости от широты фактической базы) как 0.7119 (Palmer, Edmond, 1989) или 0.7136 (Allegre et al., 2010), тогда как в мантийном потоке эти значения снижаются до 0.7035 ± 0.0005 (Palmer, Edmond, 1989; Allegre et al., 2010). Суммарный вклад перечисленных потоков Sr в конечные бассейны стока приводит к тому, что растворенный Sr входит в первую десятку наиболее распространенных элементов в океане (Brass, Turekian, 1974).
В результате быстрого перемешивания водных масс двух названных выше потоков стронция происходит глобальное усреднение изотопного состава Sr во всем объеме Мирового океана (в поверхностных и придонных слоях) и в сообщающихся с океаном окраинных и внутренних морях. Полученные в последнее время данные (Кузнецов и др., 2012) свидетельствуют, что такое перемешивание и унификация изотопного состава Sr происходят геологически мгновенно (на протяжении менее миллиона лет) даже в весьма удаленных от океана морских бассейнах. Показательными примерами являются воды Азовского моря и северной окраины Мраморного моря, которые отстоят от океанических проливов соответственно на 4000 км и 3800 км и тем не менее по изотопному составу Sr не отличаются от вод Мирового океана (Кузнецов и др., 2012).
Однородность отношения 87Sr/86Sr в водах океанов и сообщавшихся с ними морях в пределах аналитической точности современных масс-спектрометров (Hodell et al., 1989; Кузнецов и др., 2012) определяет фундаментальную возможность применения метода SIS в стратиграфических целях. Это условие позволяет коррелировать одно-возрастные морские хемогенные осадки на основе присущего им отношения 87Sr/86Sr, которое в каждый момент геологической истории было индивидуальным и менялось во времени под влиянием глобальных факторов (McArthur, 1994; Veizer et al., 1999). Фактическая летопись изменения отношения 87Sr/86Sr в палеоокеанах сохранилась в хемогенных Ca-содержащих породах (главным образом в карбонатах и фосфатах), которые
содержат соосажденный Sr, формируя специфические по очертаниям кривые изменения этого отношения в пределах осадочных последовательностей. Анализ амплитуды, направленности и хронологии изменения отношения 87Sr/86Sr в этих последовательностях позволяет обосновать кривую вариаций отношения 87Sr/86Sr в океанах и сообщавшихся с ними морях для каждого этапа геологической истории.
Наиболее сложной задачей, стоящей на пути такого обоснования, является отбор образцов, способных адекватно отражать первичное отношение 87Sr/86Sr в момент осадконакопления. Сложность этой задачи определяется тем, что карбонатные породы в ходе постседиментацион-ных процессов могут быть в той или иной мере перекристаллизованы при участии подземных и поверхностных растворов, изотопный состав Sr в которых отличается от его изотопного состава в карбонатах. Для выявления карбонатных образцов с минимальными нарушениями Rb-Sr изотопных систем в настоящее время используется набор геохимических критериев (отношения Mn/Sr, Fe/Sr и Mg/Ca, а также величина S18O). Эти критерии являются индикаторами перераспределения малых элементов на стадии эпигенеза осадков (в том числе низкотемпературного пресноводного диагенеза; Brand, Veizer, 1980; Banner, Hanson, 1990; Denison et al., 1994; Горохов и др., 1995а). Критические значения названных критериев, отделяющих образцы с нарушенными Rb-Sr изотопными системами от наименее измененных ("лучших") образцов, как правило, устанавливаются на основе корреляционных зависимостей между упомянутыми отношениями, с одной стороны, и величиной 87Sr/86Sr, с другой. Наилучшим образом информацию об изотопном составе Sr в среде седиментации сохраняют известняки с отношениями Mn/Sr < 0.2, Fe/Sr < 5 и Mg/Ca < 0.024 (Kaufman et al., 1993; Горохов и др., 1995а; Кузнецов и др., 1997, 2003а, 2006; Семихатов и др., 2002, 2004; Thomas et al., 2004; Halverson et al., 2007). Из-за недостаточной изученности поведения малых элементов в ходе доломитизации первичного известкового осадка (Veizer, 1983), для доломитов пока не найдены подобные геохимические критерии сохранности. Поэтому минимальные значения отношения 87Sr/86Sr в доломитах могут отражать лишь максимальный предел этой величины в среде седиментации и/или раннего диагенеза осадков. Тем не менее известны примеры, когда отношение 87Sr/86Sr в палеозойских и протерозойских доломитах не отличается от такового в соседствующих известняках (Montanez, Read, 1992; Горохов и др., 1995а; Bartley et al., 2001; Кузнецов и др., 2003а, 2006; Melezhik et al., 2005).
Влияние вторичных изменений карбонатных пород на наблюдаемые в них отношения 87Sr/86Sr
Возраст, млн лет
Рис. 1. Предложенные разными авторами фрагменты кривой вариаций отношения 87Sr/86Sr в океане рифея и венда. 1 — "Vfeizer, Compston, 1976; 2 — "Vfeizer et al., 1983; 3 — Покровский, Виноградов, 1991; 4 — Asmerom et al., 1991; 5 — Derry et al., 1992; 6 - Kaufman et al., 1993; 7 - Горохов и др., 1995а; 8 - Brasier et al., 1996; Shields, 1999; 9 - Walter et al., 2000; 10 - Khabarov et al., 2002; 11 - Кузнецов и др., 1997, 2003а.
может быть уменьшено в результате использования методики селективного растворения (выщелачивания) образцов (Горохов и др., 1995а; Моп-1апе2 й а1., 1996; Li й а1., 2011). Эта процедура позволяет разделить некогенетичные карбонатные фазы или, по крайней мере, обогатить образец первичным карбонатным материалом, что повышает надежность оценки изотопного состава 8г в среде седиментации.
Главными причинами, которые затрудняют построение надежно обоснованной кривой вариаций отношения 878г/868г в протерозойском океане, яв
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.