Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 2, стр. 10-14

Впервые мшанковые биогермные известняки на Керченском полуострове упоминаются П.С. Палласом в 1803 г., а в 1865 г. Г.В. Абих выделил мшанковые слои в самостоятельный горизонт нижнего миоцена [1]. С 1930 по 1992 гг. эти сведения дополнялись детальными исследованиями Н.И. Андрусова, А.Д. Архангельского, Н.М. Гавриленко, В.Г. Куличенко, И.Т. Журавлевой, А.А. Клюкина, Ю.М. Феофановой, Е.Ф. Шнюкова и многих других. Большинство исследователей говорили об участии в формировании биогермов водорослей, но их таксонов не приводили. Проведенные нами исследования с применением современных физических методов изменили существующие представления о природе мшанковых биогермов Казантипа: в них впервые выявлены ископаемые минерализованные биопленки и гликокаликс, свидетельствующие о роли карбонат-отлагающих метанотрофных бактерий в укреплении хрупких мшанковых скелетов и биогермов, формирующихся в условиях придонного газофлюидного высачивания. Объяснение этого феномена и является целью данной статьи.

Образцы для исследований отобраны из мшанковых биогермов в бухтах Широкая и Шарабай на мысе Казантип. Карбонатные корки изучались методами рентгеновской дифрактометрии (дифрактометр Shimadzu XRD-6000, излучение-CuKα, 30 кВ, 20 мА, область сканирования 2–65°2Θ), сканирующей электронной микроскопии СЭМ (JSM-6390LV “JEOL”, углеродное напыление), энерго-дисперсионной спектрометрией ЭДС (“Inca” Energy 450) в ЦКП “Геонаука” ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар) и в ИГиГ ФГБУ УрО РАН (Екатеринбург).

Мыс Казантип территориально принадлежит Керченскому полуострову Крыма. Олигоценовые и миоценовые отложения изогнуты в эллиптическую в плане брахиантиклинальную складку – Мысовую антиклиналь, которой в рельефе соответствует мыс Казантип. Размытый свод антиклинали преобразован в эрозионную котловину [2]. По периферии котловину окаймляет скалистая гряда, представляющая собой серию нижнемиоценовых мшанковых известняков, включающих биогермы. В береговых уступах бухт в биогермах с массивным ядром в результате выветривания отчетливо проявляется биогермная слойчатость и видны линзовидные более плотные прослои мшанкового тонкобиокластового известняка. Биогермные известняки контактируют по простиранию и разрезу с толстослоистыми (до 1.5 м) преимущественно мшанковыми биокластовыми известняками, среди которых иногда можно видеть линзовидные прослои тонкозернистых известняков с мелко-среднеобломочными брекчиями и трещинами усыхания, заполненными мелким лито- и биокластовым материалом коричневатого цвета.

Биогермные известняки весьма пористые, иногда с выделениями битума, омарганцеванием, ожелезнением и окисленным пиритом (рис. 1е), сложены скелетами мшанок, относимых ранее к Membranipora lapidosa Pall [3]. В ассоциации с ними распространены скопления мелкой биокластики преимущественно из раковин моллюсков и трубок червей-полихет (рис. 1а). На поверхности колоний мшанок присутствуют крустификационные карбонатные корки толщиной от 5 мм до 3 см, имеющие округлые, овальные очертания, по строению сходные со строматолитовыми (рис. 1в). Иногда эти корки выделяются молочно-белым или розовато-белым цветом (рис. 1а). Мощность таких известняков составляет 60–80 см.

Рис. 1.

Характерные особенности строения мшанковых биогермных известняков, бухта Широкая, мыс Казантип, Керченский полуостров: а – фрагмент строения мшанкового биогерма на мысе бухты Широкая, где видна минерализованная бактериальная пленка на мшанках и биокластовый материал между колониями; б – СЭМ-изображение в режиме вторичных электронов строения минерализованной биопленки; в – более мощная карбонатная корка со сложным минеральным составом на мшанковом биогермном известняке; г – СЭМ-изображение в режиме вторичных электронов шестоватых и пластинчатых кристаллов бактериоморфного низкомагнезиального кальцита внутри крупной полости под биопленкой; д и ж – СЭМ-изображение в режиме вторичных электронов высоко-Mn кутногорита в корке обрастания; е – пятнистость карбонатной корки как результат процессов омарганцевания, ожелезнения и окисления пирита при локальном придонном высачивании.

Карбонатные корки при изучении оказались неоднородными по минеральному составу: арагонит, кальцит с микропримесью стронция, железистый кальцит, входящий в изоморфный ряд доломит-анкерит, структурно близкий к доломиту, кутногорит, а также примесь кварца (возможно муллит) и барит. Морфологически эти минералы в матриксе имеют зернистый, расщепленно-кристаллический облик, а в полостях – шестоватый и пластинчатый (рис. 1г). Минерализованные бактериальные пленки и гликокаликс (рис. 1б), а также биохемогенный кальцит приурочены к карбонатным коркам. Они свидетельствуют о том, что в процессе жизнедеятельности карбонат-отлагающие бактерии образовывали быстро минерализующиеся участки, укрепляя ажурные и хрупкие ветвистые мшанки изнутри. Фоссилизированные биопленки на поверхности колоний, экранируя свободный выход CО₂ из полостей, локально создавали условия его переизбытка, благодаря чему под биопленкой отлагались кристаллические карбонаты.

Присутствие в корках бактериального обрастания битума, пирита, Sr в кальците, барита, Mg-кальцита, кутногорита (высоко-Mn кальцит) говорит о специфичной придонной обстановке во время формирования мшанковых построек. Кроме того, обнаружены биогермы, в основании которых обширные полости выстланы корками гетита. Важно отметить, что кутногорит встречен только в корках обрастания (рис. 1д, ж) и крустификациях вокруг мшанок. Магнезиальный кальцит, содержащий около 15% магнезитового компонента, и кутногорит структурно очень схожи и имеют практически одинаковые дифракционные картины. На дифрактограммах кутногорит и Mg-кальцит диагностируются по набору весьма интенсивных отражений с межплоскостными расстояниями d/n = 3.80; 2.98; 2.46; 2.25; 2.07; 1.878; 1.847 Å (рис. 2), а арагонит определяется по рефлексам с межплоскостными расстояниями d/n = 3.40; 3.27; 2.70; 2.37; 1.976; 1.813 Å и др. Малая полуширина и высокая интенсивность отражений Mg-кальцита и арагонита свидетельствует о высокой степени кристалличности этих минералов. Присутствие в образце стронцианита можно предположить по наличию очень слабых отражений с d/n = 3.53 и 3.43 Å. По данным [4], бактериально-обусловленное образование кутногорита возможно в основном в аэробных условиях, однако, при недостатке биоиндуцированного Mn (II) вместо кутногорита при тех же условиях образуется арагонит. Минеральная ассоциация (Mg-кальцит+арагонит) характерна для газогидратного минералообразования с биогенным участием [5, 6], когда метан высвобождается из газогидратного слоя под действием тепла, окисляется бактериями на морском дне и образует карбонатные отложения с сульфидами. Кутногорит ранее был установлен в донных осадках Южно-Каспийской котловины [7], и его присутствие объяснялось процессом микробного разложения органического вещества с образованием изотопно-легкой углекислоты, что подтверждается результатами радиоизотопного анализа скорости процессов СО₂-ассимиляции и сульфатредукции. Вблизи грязевого вулкана Двуреченского в Черном море были обнаружены новообразования в виде светло-серых карбонатных корок, покрытых с одной стороны бактериальным слоем. Мелкие трубчатые формы карбоната, определяемые как начальные стадии развития метанового сипа, также покрыты бактериальным слоем, под которым обнаружены карбонатные сферолиты размером 1–2 мм [8]. Исследования метановых сипов в Черном море показали, что они могут исчезать и вновь появляться, формируя карбонатные постройки, корки, конкреции и линзовидные тела, состоящие из Mn-кальцита, арагонита и других карбонатных минералов в ассоциации с сульфидными и сульфатными минералами [9]. Значительно реже обнаруживаются газофлюидные потоки, несущие наряду с метаном химические элементы, например, барий [10], который довольно часто присутствует как элемент и как минерал барит в исследованных нами карбонатных корках.

Рис. 2.

Дифрактограмма карбонатной корки в мшанковом биогермном известняке, обр. Шир–3–17, бухта Широкая. C/K – Mg-кальцит+кутногорит, A – арагонит, S – стронцианит. Межплоскостные расстояния – в Å.

В ряде публикаций указывается, что в конце сармата и начале мэотиса на месте Казантипа появилась мель в результате образования складки, а затем возник небольшой островок из сарматских глин, на подводном склоне которого селились мшанки мембранипоры. Воздымающийся остров служил хорошим препятствием для штормов, на что указывает присутствие био- и литокластовых разностей среди толстослоистых мшанковых известняков между биогермами. В таких условиях хрупкие мшанки не смогли бы построить каркас без синседиментационного биоиндуцированного цемента (как в скелетных холмах в позднем карбоне и перми [11]). Имеются свидетельства активного формирования в настоящее время Мысовой антиклинали в результате проявления глиняного диапиризма с перспективой образования грязевого вулкана на поверхности [12]. Мыс Казантип описывается как криптодиапировая складка с ядром нагнетания из сильно перемятых, раздробленных и перетертых глин майкопской серии неоген-четвертичного разреза Керченско-Таманской грязевулканической области. Следует отметить, что в настоящее время в пределах Азовского моря появляются отмели, которые являются результатом проявления грязевого вулканизма, и они отмечались еще в конце XIX и начале XX веков [13].

Таким образом, в результате изучения мшанковых биогермных известняков мыса Казантип установлено следующее. Выявленные в них карбонатные корки имеют сложный минеральный состав. Присутствие в них битума, пирита, стронцианита, барита, кутногорита и следов жизнедеятельности карбонат-отлагающих метанотрофных бактерий (ископаемые биопленки и гликокаликс), создающих крустификационный цемент каркаса биогермов, было связано с существенным влиянием придонных локальных газофлюидных высачиваний. Специфическая придонная обстановка была обусловлена проявлением на территории мыса Казантип зоны разгрузки восходящих газофлюидных потоков в результате активизации грязевого вулканизма, типичного для неоген-современного интервала Керченско-Таманской области.