ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2008, № 1, с. 51-65
УДК 551
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА ВЕНД-КЕМБРИЙСКИХ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД И ПАЛЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОНСТРУКЦИИ
© 2008 г. В. И. Виноградов
Геологический институт РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7;
E-mail: vinogradov@ginras.ru
Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
Изотопный состав углерода карбонатных пород широко используется при реконструкции палеогеографических обстановок осадконакопления. Особый интерес вызывают исследования переломного в геологической истории Земли временного интервала верхний протерозой-кембрий. В породах этого возраста наблюдаются особенно ярко выраженные колебания изотопного состава углерода в карбонатах, которые обычно ассоциируют с эпохами глобальных оледенений и сменой режима СО2. В статье делается попытка показать, что во многих случаях изотопные вариации углерода связаны с постседиментационными изменениями карбонатов и отражают особые механизмы геохимических преобразований пород. Исследования вариаций изотопного состава углерода и кислорода венд-кембрийских отложений открывают широкие перспективы в познании процессов литогенеза.
Изотопный состав карбонатных пород широко используется для реконструкции экологических обстановок прошлого. В основе реконструкций лежит предположение о сохранности изотопных систем в течение всего времени существования породы. Правильность такого предположения далеко не очевидна. Степень сохранности пород и их изотопных систем зависит от многих причин. В общем случае вероятность сохранности уменьшается с увеличением возраста пород. Необходимость еще раз обсудить эту проблему вызвана исследованиями венд-кембрийских отложений Иркутского амфитеатра, которые мы провели в последнее время, и анализа литературных материалов по другим регионам мира. Полученные результаты заставляют критически рассмотреть как собственные данные, так и часть данных из огромного количества опубликованных работ. В этом заключается задача настоящей статьи.
ИРКУТСКИЙ АМФИТЕАТР - ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОТОПНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Иркутский амфитеатр располагается на юго-восточной окраине Сибирской платформы. Он выполнен мощной толщей преимущественно карбонатных и эвапоритовых отложений венд-кембрийского возраста. Большое количество поисково-разведочных скважин на его территории и детальная литологическая изученность пород [Писарчик, 1963; Писарчик и др., 1975] послужили главным критерием выбора этого региона для
изотопных исследований. Литолого-геохимиче-ские, в частности обилие эвапоритов в разрезе, и некоторые ранее полученные изотопные данные наряду с опубликованными литологическими исследованиями [Писарчик, 1963] свидетельствуют о том, что породы Амфитеатра подверглись глубоким постседиментационным (эпигенетическим) изменениям. Увидеть их отражение в изотопных характеристиках ряда элементов было целью наших исследований. Эти результаты опубликованы в серии статей [Виноградов, Пустыльников, 1994; Виноградов и др., 2006 а-г; Виноградов, 2007] и очень кратко воспроизводятся здесь.
Наиболее ярко вторичные изменения отражены в изотопном составе серы и стронция.
Сера. На рис. 1 показано распределение изотопов серы в венд-кембрийских ангидритах на территории Иркутского амфитеатра. Виден очень большой разброс изотопных отношений и обогащение сульфатов тяжелым изотопом серы. Подобная ситуация обнаружена во многих других регионах мира. Однако общая четкая картина вторичных изменений пород региона позволяет предложить принципиально иную интерпретацию по сравнению с обычно принимаемой [Виноградов, 2007]. Основной пик на диаграмме характеризует особенности механизма эпигенетической редукции сульфатов и связанного с ней изотопного фракционирования. Низкие значения 534Б в левой части гистограммы могут быть близки к изотопному составу серы венд-кембрийской морской воды [Гриненко, Гриненко, 1974]. Это
51
4*
878г/868г
0.7092 0.7090 0.7088 0.7086 0.7084 0.7082 0.7080 0.7078 0.7076 0.7074
Рис. 2. Изотопные отношения 878г/86Бг в карбонатах и сульфатах венд-кембрийских отложений Иркутского амфитеатра [Виноградов и др., 2006 б].
20 30 40
53/4 Б, %о
Рис. 1. Гистограмма распределения 834Б сульфатной серы в венд-кембрийских отложениях Иркутского амфитеатра (по данным [Виноградов, Пустыльников, 1994; Виноградов и др., 2006 а; Виноградов, 2007]).
означает близость состава серы морского сульфата того времени современному. Отсюда следуют три важных вывода. Во-первых, палеогеографические обстановки в венде-кембрии не отличались существенно от современных. Во-вторых, пиковое значение на гистограмме около +27%е означает, что большое количество сульфатов было уничтожено из разреза только за счет сульфа-тредукции. В Иркутском амфитеатре это составило не менее 100 м от общей мощности разреза. Реальная цифра, видимо, существенно выше. В-третьих, наконец, можно утверждать, что вторичным изменениям подверглись сульфатные (и, видимо, другие) отложения всего комплекса пород общей мощностью около 2.5 км.
Стронций. Последний вывод следует также из данных по изотопному составу стронция. Прежде всего, оказывается, что глинистые породы венда и глинистая часть венд-кембрийских мергелей, как это показано в уже упомянутых выше работах, по крайней мере дважды испытали эпизодическую переработку с переустановкой ЯЪ-Бг часов примерно 580 и 450 млн лет назад [Виноградов и др., 2006 а, в]. Еще очевиднее переработка выражена в изотопном составе стронция карбо-
натных и сульфатных пород. Большая часть проб, отобранных по всему разрезу, начиная от мотской свиты венда и заканчивая ангарской свитой нижнего-среднего кембрия, оказалась зараженной радиогенным стронцием относительно его вероятного исходного изотопного состава (рис. 2).
Углерод. Изотопное отношение углерода в карбонатах устойчивее. Его смещение при эпигенетических преобразованиях требует больших количеств углекислоты с иным изотопным составом углерода. Такие случаи известны. Они связаны в первую очередь с участием в этих процессах "легкой" углекислоты - продукта окисления углеводородных соединений. Обогащение тяжелым углеродом может происходить при генерации метана.
В разрезах Иркутского амфитеатра на долю карбонатов приходится около 70% общей мощности венд-кембрийских отложений. Поэтому нельзя было ожидать, что эпигенетические процессы приведут к существенным изменениям в них изотопного состава углерода. Исключение могли представлять участки активного окисления углеводородных соединений сульфатами, если последующие реакции обмена С02 -—- Са(М§)С03 проходили локально.
На рис. 3 а приведены результаты измерений 513С в карбонатах, отобранных по разрезам нескольких скважин. Точную привязку образцов к вертикальной шкале дать затруднительно; на рисунке выдержана только их стратиграфическая последовательность. Общая мощность разреза -около 2.5 км. Среди проанализированных образцов преобладают доломиты. Изотопный состав углерода практически одинаков в кальцитовой и доломитовой составляющих карбонатных пород разреза. Пунктирными линиями показаны обычно принимаемые пределы вариаций значений 513С для осадочных карбонатов. Видно, что по-
0Г
эИ 10
о
к
3 О
S ° 20
С
ей
^ 30
о н S
0
§ о
S 1
1 Э 40
ей g
со О
PQ
60
70
80
- ■ 1 a -
Свиты Ангарская _
_ А ■
ш } ■ ■ ■ 1 1 ■ Вельская
1 Усольская
■ _ ■ Мотская
1 i i
■У
i!
'i
-5
5 10
S13C, %%
-16 -12 -8
-4 0
S18 O, %
Рис. 3. Изотопный состав углерода (а) и кислорода (б) в венд-кембрийском разрезе Иркутского амфитеатра. Вертикальный масштаб условный [Виноградов и др., 2006 в, г].
0
давляющая часть проанализированных образцов попадает в эти пределы, и в целом точки на графике разбросаны довольно хаотично. Исключение представляет собой только переход из мот-ской свиты в усольскую, то есть участок разреза вблизи собственно венд-кембрийской границы. Значения 813С изменяются здесь от -4%с в карбонатах мотской свиты до +6%с - усольской. Это изменение происходит примерно в пределах 400 м современной мощности пород. Оно зафиксировано по двум скважинам, которые расположены в 100 км друг от друга [Виноградов и др., 2006 г].
Подобные изотопные аномалии углерода вблизи границы верхний протерозой-нижний палеозой обнаружены во многих районах мира. Часто они ассоциируют с ледниковыми отложениями (диамиктитами). В эпохи крупных климатических перемен изменяется геохимический круговорот углекислоты и, соответственно, изотопный состав углерода осадочных карбонатов. Поэтому изотопно-углеродные экскурсы принимают обычно как свидетельство изменениями палеогеографических обстановок. Данные по Иркутскому амфитеатру вполне вписываются в такие представления. В то же время, зафиксированная и обозначенная выше глубокая переработка всех пород венд-кембрийского разреза амфитеатра вызывает вопрос о возможности сохранения в карбонатах исходных изотопных отношений углерода.
Кислород. На рис. 36 приведены результаты измерений изотопного состава кислорода венд-кембрийских карбонатов Иркутского амфитеатра. Виден большой разброс значений 818О и их ха-
отичное расположение по разрезу. В целом можно говорить об относительном обогащении карбонатов легким изотопом кислорода. Установлено, что такое обогащение вообще свойственно карбонатам по мере увеличения их возраста [Veizer et al., 1999]. Причины этого явления не всегда ясны. Одни авторы связывают их с условиями образования карбонатов [Magaritz, Stemmerik, 1989; Wadleight, Veizer, 1992; Veizer et al., 1999; Shields et al., 2003; Покровский, 1996; Jacobsen, Kaufman, 1999; Покровский и др., 2006 а, б], другие - с процессами вторичных преобразований пород [Gao, 1990; Gao, Land, 1991; Land, 1995; Longinelli, 1996; Richards et al., 1996; Machel et al., 1996; Heydari et al., 2001; Railsback, Hood, 2001; Longinelli et al., 2002; Dan Bridges, 2002]
ЛИТОЛОГИЧЕСКИЕ И ИЗОТОПНЫЕ ПРИЗНАКИ ПОСТСЕДИМЕНТАЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД
Литологические признаки преобразования карбонатов хорошо известны. Практически все карбонатные породы не только палеозой-протерозойского возраста, но и существенно более молоды
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.