научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ИЗОТОПНОЙ ХЕМОСТРАТИГРАФИИ Геология

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ИЗОТОПНОЙ ХЕМОСТРАТИГРАФИИ»

ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2009, № 3, с. 270-283

УДК 551

ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ИЗОТОПНОЙ ХЕМОСТРАТИГРАФИИ

© 2009 г. В. И. Виноградов

Геологический институт РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7;

E-mail: vinogradov@ginras.ru

Поступила в редакцию 07.08.2008 г.

Посгседиментационные преобразования пород затрудняют применение изотопных методов для палеоэкологических реконструкций и корреляции геологических событий. Ранее это было продемонстрировано на примере неопротерозой-кембрийских отложений [Виноградов, 2008]. Детальный анализ литературного материала показывает, что и более молодые отложения палеозоя подвергались вещественному преобразованию и изменению исходных изотопных соотношений. Общий разброс изотопных соотношений циклических элементов палеозойских отложений существенно ниже по сравнению с докембрийски-ми. Это в еще большей степени затрудняет интерпретацию изотопных вариаций, усложняет задачу событийной корреляции или делает ее просто невозможной. Кажется что, только начиная с мезозоя, изотопные методы могут адекватно использоваться для хемостратиграфических построений.

Последовательность образования комплексов осадочных пород во времени лежит в основе геологии - науки исторической по своей сути. Восстановление такой последовательности связано с изучением эволюции форм живого вещества на планете, с биостратиграфией. В комплексе с ли-тологическими и геохимическими исследованиями удается восстанавливать эволюцию внешних оболочек Земли. Но сегодня биостратиграфические методы позволяют получать достоверную информацию лишь о последней 1/8 части времени ее существования. Для расшифровки большей части земной истории приходится прибегать к более опосредованным методам - химическим и изотопным. Изотопные методы кажутся наиболее перспективными по двум причинам. Во-первых, изменение изотопного состава элемента подчинено большим ограничениям, чем изменение химического состава вещества. Во-вторых, предполагается (не без оснований), что основные причины изотопного фракционирования известны, а то обстоятельство, что эти причины различны для разных элементов, открывает дополнительные возможности расшифровки экспериментального материала. При этом преследуется задача определить исходные значения изотопных отношений на момент образования осадка. Эти исходные отношения позволяют, в свою очередь, вос-

".. .несмотря на то, что любой и каждый отдельно взятый систематизированный пункт доказательства может быть ничтожно слабым, сходимость доказательств может привести нас к вполне удовлетворительному выводу"

Фэйрбридж, 1970, с. 357

станавливать геохимические особенности экзо-сферы и проводить глобальную корреляцию событий.

Потенциальные возможности метода значительно ограничены изменениями, которые породы испытывают на протяжении всего времени своего существования. В первую очередь изменения касаются химического состава вещества осадочной породы, но часто его изотопные метки тоже меняются. Естественно, чем старше порода, тем больше вероятность нарушения ее первичного состава.

В задачу настоящего сообщения входит обсуждение на основе литературного материала признаков сохранности-измененности первичных изотопных отношений элементов, которые обычно используются при палеоэкологических реконструкциях (С, О, 8, ¿г). Отношение автора к возможностям (точнее к невозможностям) до-кембрийских реконструкций [Виноградов, 2008] будет подтверждено здесь только одним примером. Подробнее рассматриваются примеры реконструкций по палеозойским отложениям и делается попытка хотя бы условно оценить временные границы применимости метода. По необходимости, сообщение предваряется общей

картиной поведения изотопных систем осадочных пород в рамках рассматриваемой проблемы.

О ПОВЕДЕНИИ ИЗОТОПНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Углерод. Главная информация при изотопных хемостратиграфических или палеоэкологических реконструкциях черпается из изучения карбонатного материала. Считается, что изотопный состав углерода карбонатной породы устойчив к вторичным изменениям. Вероятно поэтому фанерозойские карбонатные толщи имеют однородный изотопный состав углерода, близкий к значениям 513С = 0 ± 2%е. Выход за пределы этого интервала редок и не систематичен. В неопротерозое общий размах колебаний 513С превышает ± 10%е. Не обсуждая конкретных причин таких вариаций, зададимся вопросом, какие процессы - первичные и вторичные -могут приводить к столь большим вариациям изотопного состава углерода.

Все существенные изменения изотопного состава углерода карбонатного осадка так или иначе связаны с глобальным соотношением Скарб/Сорг). Современное соотношение Скарб/Сорг составляет примерно 4 : 1 [ваИшоу, 2006 и приведенная там литература]. Если окислить все органическое вещество, то изотопный состав углерода С02 земной экзосферы после уравновешивания с карбонатами осадочной оболочки будет близок к среднему составу экзосферного углерода - около - 3%е [ваИшоу, 2006]. От времени и динамики такого уравновешивания зависит изотопный состав углерода атмосферной С02 и, соответственно, осадочного карбоната. А можно ли вообще говорить о таком уравновешивании? Видимо да, если опираться на представления об общей выдержанности изотопного состава карбонатного углерода в течение почти всей геологической истории Земли [Schidlowski, 2001; 8еЫ<3^8к1 а а1., 1983].

Динамика обмена связана с хорошей растворимостью карбонатного вещества и его быстрым перемещением в системе океан-континент. Насколько мне известно, первая четкая численная оценка этого явления была дана в 1985 г.: "Так, около трети вещества, поступающего в океаны химическим путем, является результатом прямого выветривания карбонатных пород" [Тейлор, Мак-Леннан, 1988, с. 34]. Недавно детальную работу по исследованию круговорота вещества земной коры опубликовал В.П. Зверев [2006]. По его заключению вся масса карбонатов осадочной оболочки могла быть выщелочена за 250 млн лет. Очевидно, что часть карбонатов по тем или иным причинам сохраняется в осадочной оболочке, но легкая подверженность их растворению обусловливает обменные процессы, которые, судя по приведенным данным, должны проходить со зна-

чительной скоростью. Использование понятий "полного окисления" или "полного выноса" нужно только для обоснования следующего положения. Существенное обогащение изотопного состава углерода осадочного карбоната легким изотопом 12С (<-5...-6%е) вряд ли возможно. Вероятные отклонения условий карбонатонакоп-ления от''нормальных''могут захватывать лишь небольшие отрезки геологического времени.

Обогащение осаждаемого в морской среде карбоната тяжелым изотопом 13C кажется менее вероятным. Для этого нужно, чтобы относительное количество органического углерода в экзо-сфере в разы превысило "нормальное". Конечно, и для первого и для второго случаев изотопных вариаций углерода осадочных карбонатов предложены различные концепции. Частичное их обсуждение приведено в работе автора [Виноградов, 2008], в которой даны также соответствующие литературные ссылки. Осторожное и знаменательное высказывание на эту тему сделал недавно Э.М. Галимов. Он написал, что соотношение органического и карбонатного углерода, ".которое обычно рассматривается как возможная причина глобальных изменений изотопного состава углерода в геологическом времени, не может вызвать столь большие вариации 513С, которые реально наблюдаются в природе" [Gali-mov, 2006, с. 1245].

Дополнительной или альтернативной причиной наблюдаемых вариаций 513С могут быть процессы постседиментационных преобразований пород. Все преобразования так или иначе связаны с взаимодействием вода-порода. В зависимости от условий взаимодействия карбонатное вещество может растворяться, отлагаться или в условиях так называемого подвижного равновесия оставаться внешне неизменным, несмотря на происходящий элементный обмен в системе вода-порода.

Обычно растворенный в подземных водах углерод (НСО3) уравновешен с массой карбонатных пород и не изменяет их изотопный состав. Широко известны, однако, случаи резкого обогащения карбонатов легким изотопом 12С за счет участия в процессе обмена СО2 - продукта окисления органического веществ. Обычно в качестве окислителя выступает сульфат-ион. Случаи максимального постседиментационного обогащения карбоната изотопом 12С отмечены на площадях формирования серных руд, где значения 513С достигают -20...-40%е. Накопление карбонатами тяжелого изотопа С может происходить в зонах генерации метана за счет изотопного перераспределения между СН4 и СО2. Весьма выразительные примеры такого утяжеления продемонстрированы на примере донных осадков западного побережья Африки [Moore et al., 2004].

Возможность относительно быстрого и глубокого преобразования изотопного состава углерода в эпигенезе можно объяснить локальностью действия различных факторов, которые вовсе не обязательно связаны с событиями глобального масштаба.

Проведенный краткий обзор показывает, что никаких определенных выводов относительно времени и причин изотопных вариаций углерода осадочных карбонатов на основании одних изотопно-углеродных данных сделать нельзя.

Кислород. Изотопный состав кислорода карбонатных пород обычно не рассматривается в качестве показателя палеогеографических обста-новок времени осадконакопления. Связано это с несколькими обстоятельствами. Прежде всего с тем, что карбонат отлагается в изотопном равновесии с кислородом океанической (морской) воды, которая составляет более 90% всей воды на Земле. Соответственно, изотопный состав ее кислорода очень постоянен во времени. Приток в океанический резервуар пресной воды, которая обогащена относительно океанической легким изотопом 16О, компенсируется испарением. Даже при полном таянии современных льдов изотопный состав кислорода Мирового океана изменится менее чем на 1%е [Ферронский, Поляков, 1983 и др.]. Столь же незначителен и температурный эффект изотопного обмена кислородом в системе карбонат-вода. Изменение температуры воды на 4°С сместит изотопный состав карбонатного кислорода всего на 1%е. Только при образовании карбоната в условиях закрыт

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.

Показать целиком