1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
  4. T. 497, № 2, 2021

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 2, стр. 122-127

Положительная аномалия δ13C и изотопный состав Sr в палеопротерозойских известняках тимской свиты Курского блока Сарматии

К. А. Савко 1, 2, *, член-корреспондент РАН А. Б. Кузнецов 3, М. Ю. Овчинникова 1, А. Ю. Крамчанинов 3

1 Воронежский государственный университет
Воронеж, Россия

2 Российский государственный геологоразведочный университет, Старооскольский филиал
Старый, Оскол, Россия

3 Институт геологии и геохронологии докембрия Российской академии наук
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: ksavko@geol.vsu.ru

Поступила в редакцию 17.12.2020
После доработки 21.12.2020
Принята к публикации 23.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе новых данных о величинах δ13C и 87Sr/86Sr возраст карбонатных пород тимской свиты оскольской серии Курского блока ограничен интервалом 2.22–2.10 млрд лет. Впервые среди палеопротерозойских отложений Сарматии обнаружены карбонатные породы с аномально высоким значением δ13С (около +11‰ V-PDB). Выраженная отрицательная цериевая аномалия [(Ce/Ce*)SN] указывает на формирование известняков после великого окислительного события (GOE) в раннем палеопротерозое. Минимальное значение 87Sr/86Sr (0.7055–0.7058) в известняках предполагает, что тимский палеобассейн был частично изолирован от океана.

Ключевые слова: тимская свита, Сарматия, значение δ13С, 87Sr/86Sr хемостратиграфия

ВВЕДЕНИЕ

Метаморфизованные карбонатные породы морского генезиса являются важным элементом раннедокембрийских орогенных областей [1]. Их C- и Sr-изотопные характеристики используются для корреляции, реконструкции условий осадконакопления и тектонических режимов. При невозможности использовать изотопные геохронометры для оценки возраста карбонатных пород в раннем палеопротерозое привлекают C- и Sr-изотопные маркеры, отражающие глобальные события в истории Земли. Один из маркеров – это уникальная положительная аномалия δ13С (от +8 до +18‰), возникшая в середине палеопротерозоя между 2.22 и 2.06 млрд лет в так называемую “ломагунди-ятулийскую” эпоху [2–6]. Другой маркер – это восходящий и нисходящий тренд отношения 87Sr/86Sr в морских карбонатах раннего палеопротерозоя в интервалах 2.5–2.3 и около 2.1 млрд лет назад [6–9].

Раннедокембрийские карбонатные породы широко развиты в пределах Курского блока Сарматии. Они представлены мраморизованными доломитами и известняками и слагают три свиты: игнатеевскую, роговскую и тимскую [10, 11]. В нашей работе впервые применен метод C- и Sr-изотопной хемостратиграфии для карбонатных пород тимской свиты оскольской серии Курского блока Сарматии с целью определения ее возраста.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЗИЦИЯ

В период 2.6–2.4 млрд лет Курский блок представлял собой стабильную платформу, где накапливались железисто-кремнистые, терригенные и карбонатные отложения курской серии в объеме игнатеевской, стойленской, коробковской и роговской свит (рис. 1). Весь разрез курской серии представляет собой единый трансгрессивно-регрессивный цикл осадконакопления, формирование которого связано с режимом пассивной континентальной окраины [10, 11]. Один из самых крупных, Тим-Ястребовский рифтогенный прогиб, выполнен палеопротерозойскими породами курской и оскольской серий (рис. 1). Их общая мощность по геофизическим данным достигает 8 км. Отложения курской серии распространены по бортам Тим-Ястребовского прогиба. Ее разрез начинается кварцевыми аренитами и мусковитовыми сланцами стойленской свиты. Выше залегают мощные (до 1 км) железорудные толщи магнетитовых кварцитов коробковской свиты, которые согласно перекрываются терригенно-карбонатными отложениями роговской свиты. Вулканогенно-осадочная тимская свита оскольской серии с перерывом и угловым несогласием (~15°) залегает на отложениях различных стратиграфических уровней курской серии в Тим-Ястребовском прогибе и даже на архейском основании.

Рис. 1.

(а) Схематическая структурная карта Сарматии; (б) Схематическая структурная карта Воронежского кристаллического массива, (в) Схематическая геологическая карта Тим-Ястребовской структуры [10]. 1 – тоналит-трондьемит-гранодиоритовая ассоциация и метабазиты (AR1+2); 2 – калиевые риолиты лебединской свиты неоархея (AR2lb); 3 – стойленская и коробовская свиты курской серии (PR1st+kr); 4 – роговская свита оскольской серии (PR1rg); 5 – нижняя подсвита тимской свиты оскольской серии (PR1tm1); 6 – верхняя подсвита тимской свиты оскольской серии (PR1tm2); 7 – стойло-николаевский комплекс, гранодиориты (γδPR1sn); 8 – габброиды; 9 – возраст магматических образований; 10 – железистые кварциты; 11 – кварц-биотитовые сланцы; 12 – доломиты; 13 – карбонатсодержащие сланцы; 14 – метариолиты; 15 – метаконгломераты; 16 – метапесчаники; 17 – метабазиты; 18 – углеродистые сланцы; 19 – кора выветривания; 20 – гранитоиды.

Тимская свита разделяется на две толщи. Нижняя толща (до 170 м) сложена углеродистыми сланцами с прослоями (до первых метров) песчаников, гравелитов, кварцитопесчаников и амфиболитов. Верхняя толща сложена базальтами (до 140 м), которые чередуются с углеродистыми и слюдяными сланцами, алевропесчаниками, известково-силикатными и карбонатными породами. По мере приближения к центру Тим-Ястребовского прогиба уменьшается количество углеродистых сланцев и увеличивается мощность карбонатных и силикатно-карбонатных пород. Базальты приурочены к бортам и поднятиям внутри структуры. На ранних стадиях рифтогенеза это ферропикриты, а с его развитием – базальты и андезибазальты. U–Pb-возраст циркона из тимских базальтов составляет 2099 ± 8 млн лет [12]. Все породы Тим-Ястребовского прогиба подверглись метаморфизму зеленосланцевой и эпидот-амфиболитовой фаций с возрастом 2.07 млрд лет в результате коллизии Волгоуралии и Сарматии [13].

МЕТОДИКА

Наиболее мощный (более 250 м) разрез карбонатных отложений тимской свиты вскрыт скважиной 3651 в западной части Тим-Ястребовского прогиба (рис. 1). Он начинается с пачки силикатно-карбонатных пород (193.5 м) и заканчивается углеродистыми слюдисто-карбонат-кварцевыми сланцами (87.6 м) с прослоями известняков. В этом разрезе было отобрано 9 образцов мраморизованных известняков из интервала 227–495 м (рис. 1). Содержания породообразующих и малых элементов в образцах были определены методом РФА (ВГУ). Дополнительно, во всех образцах определены содержания редких и редкоземельных элементов (ICP MS-метод, ЦИИ ВСЕГЕИ). Содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) были нормализованы к содержанию РЗЭ в постархейском австралийском сланце PAAS [14]. Rb–Sr-систематика изучена в девяти образцах мраморизованных известняков из интервала 227–495 м в скв. 3651 согласно процедуре [15]. Среднее значение 87Sr/86Sr в изотопном стандарте стронция Национального бюро стандартов SRM 987 в период работы составило 0.71025 ± 0.00001 (2σсредн., n = 5). Изотопный состав углерода определен в трех образцах мраморизованных известняков с глубин 389, 414 и 495 м (табл. 1).

Таблица 1.

Геохимические данные и изотопный состав Sr и С в известняках тимской свиты из скв. 3651

Скв/глубина (м) 3651/227 3651/270 3651/290 3651/300 3651/317 3651/339 3651/389 3651/414 3651/495
δ13C ‰ V-PDB             11.2 11.0 11.6
87Sr/86Sr 0.7111 0.7074 0.7065 0.7058 0.7084 0.7055 0.7077 0.7075 0.7070
Mg/Ca 0.025 0.014 0.016 0.016 0.021 0.012 0.016 0.026 0.018
Mn/Sr 1.81 1.72 0.98 0.77 1.22 0.79 2.42 0.96 1.93
Fe/Sr 24.3 19.4 14.7 17.0 27.2 8.8 19.4 19.9 11.2
ΣREE 84.4 82.7 66.0 55.8 84.3 81.1 70.8 68.8 46.6
(Ce/Ce*)SN 0.61 0.70 0.55 0.71 0.72 0.68 0.67 0.62 0.55
(La/La*)SN 1.67 1.19 1.25 1.16 1.42 1.55 2.22 1.35 1.88
(Pr/Yb)SN 1.57 1.99 1.37 1.55 1.74 1.89 1.81 1.65 1.48
Eu/Eu$_{{{\text{SN}}}}^{*}$ 0.98 0.99 1.04 1.08 1.09 0.95 1.04 0.89 1.00
Y/Ho 45 46 45 44 44 51 43 50 50

Примечание. SN – нормализовано к постархейскому австралийскому сланцу PAAS [14].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Серые мраморизованные известняки тимской свиты сложены мелкозернистым кальцитом (Mg/Ca < 0.07%) и содержат 2.7–6.6% алюмосиликатной примеси (SiO2 + Al2O3). Содержания других оксидов невелики: Fe2O3общ(Fe2O3 + FeO) = = 0.37–1.11% и MgO = 0.9–3.3%, MnO до 0.07%. Кроме кальцита в мраморах в незначительных количествах присутствуют доломит, кварц, альбит, калиевый полевой шпат и мусковит.

Содержания Mn (200–600 мкг/г), Fe (1900–5200 мкг/г) и Sr (196–315 мкг/г) в известняках тимской свиты высокие. Суммарная концентрация РЗЭ составляет 46–85 мкг/г (среднее – 69.5) с преобладанием легких РЗЭ (от La до Nd) над тяжелыми (от Ho до Lu) с величинами отношений Pr/Yb = 1.37–1.99 (нормализовано к содержанию РЗЭ в PAAS). При этом средние РЗЭ (от Sm до Dy) обогащены по сравнению с легкими и тяжелыми РЗЭ (рис. 2). Значения отношения Y/Ho – суперхондритовые (45–50, среднее – 47), выраженная Eu-аномалия отсутствует [(Eu/Eu*) = = 0.89–1.09], но отмечается истинная положительная La- [(La/La*) = 1.16–2.22, среднее – 1.50]. В распределении РЗЭ фиксируется отрицательная цериевая [(Ce/Ce*) = 0.55–0.72] аномалия (табл. 1, рис. 2). Концентрации немобильных редких элементов Sc, Zr и Th изменяются от 0.8 до 2.2 мкг/г, 3.3 до 34.7 мкг/г и 0.4–2.6 мкг/г соответственно.

Рис. 2.

Нормализованное к PAAS распределение РЗЭ + Y в известняках тимской свиты.

Отношение 87Sr/86Sr в известняках тимской свиты варьирует от 0.7055 до 0.7111, а значение δ13С оказалось аномально высоким от +11.0 до +11.6‰ V-PDB (табл. 1).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Интерпретация изотопно-геохимических данных затруднена метаморфическими изменениями, которые могли изменить первичные изотопные сигналы. Однако недавние работы показали, что карбонатные породы, метаморфизованные даже в условиях амфиболитовой фации, способны сохранять первичные C- и Sr-изотопные характеристики [9, 15, 16]. Отсутствие Eu-аномалии и суперхондритовые отношения Y/Ho в образцах свидетельствуют (рис. 2), что породы не подверглись гидротермальной перекристаллизации [12]. Величины отношений Mn/Sr (0.77–1.9) и Fe/Sr (8.8–27.2) превышают граничные значения, используемые для оценки неизмененных Rb–Sr-систем карбонатных пород, но удовлетворяют неизмененным С-изотопным системам [8, 9, 16].

Значения δ13С в тимской свите значительно выше, чем в неоархейско-раннепалеопротерозойской игнатеевской свите, залегающей в основании курской серии – 0.3–0.9‰ PDB [11]. Высокие значения δ13C (+11.0…+11.6‰ V-PDB) в тимских известняках указывают, что накопление карбонатных осадков этой свиты происходило в ломагунди-ятулийскую эпоху 2.22–2.06 млрд лет назад (рис. 3). Отрицательное значение (Ce/Ce*)SN в известняках является индикатором повышенного содержания кислорода в системе океан–атмосфера и рассматривается как свидетельство осаждения карбонатов в кислородной среде [18]. Эти данные подтверждают, что карбонаты тимской свиты накапливались после великого окислительного события (Great Oxidation Event – GOE), которое завершилось 2.32 млрд лет назад [3–6, 20]. Минимальное значение 87Sr/86Sr в известняках (0.7055–0.7058) выше, чем в палеопротерозойских морских карбонатах (рис. 3). Однако оно согласуется с этим значением в частично изолированных палеобассейнах (лагунах и себхах), широко развитых в Фенноскандии в ятулийскую эпоху – 0.7051–0.7067 [7, 19].

Рис. 3.

Оценка возраста карбонатных пород тимской свиты в сравнении с кривыми вариаций δ13C (а) и отношения 87Sr/86Sr (б) в палеопротерозойском океане. На диаграмме (а) отражены главные события в раннем палеопротерозое по [3, 5, 6]. Сравнение: 1–2 – Сарматия: 1 – игнатеевская свита, Курский блок [11]; 2 – темрюкская свита, центральноприазовская серия, Азовский блок [15, 17]; 3 – формация Ломагунди, Южная Африка [3, 5]; 4–6 – Карельский блок, Фенноскандия: 4 – морские карбонаты, ятулий [2, 4, 7]; 5 – лагунные и озерные карбонаты, ятулий [4, 7], 6 – морские карбонаты, постятулийские [9].

До настоящего времени в палеопротерозойских отложениях Сарматии не были известны карбонатные породы с положительной аномалией δ13С, отражающей событие ломагунди-ятулий [3–5]. Опубликованные значения δ13С для палеопротерозойских карбонатных пород Украинского щита не превышают +4…+6‰ [17]. На этом основании был сделан вывод об отсутствии в Сарматии карбонатных осадков моложе 2.23 млрд лет [15]. Однако новые С-изотопные данные опровергают этот вывод.

Обнаруженные аномально высокие значения δ13C (до +11.6‰) в известняках тимской свиты Курского блока однозначно свидетельствуют об их образовании в ломагунди-ятулийскую эпоху (рис. 3). Верхний предел накопления тимской свиты ограничен возрастом базальтов, залегающих в кровле свиты выше известняков – 2099 ± 8 млн лет [12]. Таким образом, возраст накопления карбонатных пород тимской свиты соответствует интервалу 2.22–2.10 млрд лет.

Список литературы

  1. Veizer J., Clayton R.N., Hinton R.W. Geochemistry of Precambrian Carbonates: IV. Early Paleoproterozoic (2.25 +0.25) Seawater // Geochim. Cosmochim. Acta. 1992. V. 56. No 3. P. 875–885.

  2. Юдович Я.Э., Макарихин В.В., Медведев П.В., Суханов Н.В. Изотопные аномалии углерода в карбонатах карельского комплекса // Геохимия. 1990. № 7. С. 972–978.

  3. Karhu J.A., Holland H.D. Carbon Isotopes and the Rise of Atmospheric Oxygen // Geology. 1996. V. 24 (10). P. 867–870.

  4. Melezhik V.A., Fallick A.E., Medvedev P.V., Makari-khin  V.V. Extreme 13Ccarb Enrichment in ca. 2.0 Ga Magnesite-stromatolite-dolomite-“red beds” Association in a Global Context: A Case for the World-wide Signal Enhanced by a Local Environment // Earth Sci. Rev. 1999. V. 48. P. 71–120.

  5. Schidlowski M. Carbon Isotopes as Biogeochemical Recorders of Life Over 3.8 Ga of Earth History: Evolution of a Concept // Precambr. Res. 2001. V. 106 (1). P. 117–134.

  6. Bekker A., Karhu J.A., Eriksson K.A., Kaufman A.J. Chemostratigraphy of Paleoproterozoic Carbonate Successions of the Wyoming Craton: Tectonic Forcing of Biogeochemical Change? // Precambrian Res. 2003. V. 120. P. 279–325.

  7. Kuznetsov A.B., Melezhik V.A., Gorokhov I.M., Melni-kov N.N., Konstantinova G.V., Kutyavin E.P., Turchen-ko T.L. Sr Isotopic Composition of Paleoproterozoic 13C-rich Carbonate Rocks: The Tulomozero Formation, SE Fennoscandian Shield // Precambrian Research. 2010. V. 182. № 4. P. 300–312.

  8. Кузнецов А.Б., Семихатов М.А., Горохов И.М. Стронциевая изотопная хемостратиграфия: основы метода и его современное состояние // Стратиграфия. Геол. корреляция. 2018. Т. 26. № 4. С. 3–23.

  9. Кузнецов А.Б., Горохов И.М., Азимов П.Я., Дубинина Е.О. C- и Sr-хемостратиграфический потенциал палеопротерозойских осадочных карбонатов в условиях среднетемпературного метаморфизма: мраморы Рускеалы, Карелия // Петрология. 2021. Т. 29. № 2. С. 172–194.

  10. Савко К.А., Самсонов А.В., Холин В.М., Базиков Н.С. Мегаблок Сарматия как осколок суперкратона Ваалбара: корреляция геологических событий на границе архея и палеопротерозоя // Стратиграфия. Геол. корреляция. 2017. Т. 25. № 2. С. 3–26.

  11. Савко К.А., Кузнецов А.Б., Овчинникова М.Ю. Карбонатные отложения Восточной Сарматии (раннедокембрийская игнатеевская свита): условия образования и палеоконтинентальные корреляции // Стратиграфия. Геол. корреляция. 2020. Т. 28. № 3. С. 3–26.

  12. Цыбуляев С.В., Савко К.А., Самсонов А.В., Кориш Е.Х. Палеопротерозойские вулканиты тимской свиты Курского блока Сарматии: возраст и геодинамическая обстановка // ДАН. 2020. Т. 495. № 1. С. 36–40.

  13. Savko K.A., Samsonov A.V., Kotov A.B., Sal’nikova E.B., Korish E.H., Larionov A.N., Anisimova I.V., Bazikov N.S. The Early Precambrian Metamorphic Events in Eastern Sarmatia // Precambrian Res. 2018. V. 311. P. 1–23.

  14. Condie K.C. Chemical Composition and Evolution of the Upper Continental Crust: Contrasting Results from Surface Samples and Shales // Chem. Geol. 1993. V. 104. P. 1–37.

  15. Кузнецов А.Б., Лобач-Жученко С.Б., Каулина Т.В., Константинова Г.В. Палеопротерозойский возраст карбонатных пород и трондьемитов центральноприазовской серии: Sr-изотопная хемостратиграфия и U-Pb геохронология // ДАН. 2019. 484. № 6. С. 725–728.

  16. Melezhik V.A., Zwaan B.K., Motuza G., Roberts D., Solli A., Fallick A.E., Gorokhov I.M., Kuznetsov A.B. New Insights into the Geology of High-grade Caledonian Marbles Based on Isotope Chemostratigraphy // Norwegian Journal of Geology. 2003. V. 83. P. 209–242.

  17. Загнитко В.Н., Луговая И.П. Изотопная геохимия карбонатных и железисто-кремнистых пород Украинского щита. Киев: Наукова Думка. 1989. 315 с.

  18. German C.R., Masuzawa T., Greaves M.J., Elderfield H., Edmond J.M. Dissolved Rare Earth Elements in the Southern Ocean: Cerium Oxidation and the Influence of Hydrography // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. V. 59. P. 1551–1558.

  19. Melezhik V.A., Fallick A.E., Kuznetsov A.B. Palaeoproterozoic, Rift-related, 13C-rich, Lacustrine Carbonates, NW Russia. Part II: Global Isotopic Signal Recorded in the Lacustrine Dolostone // Transactions of the Royal Society of Edinburgh, Earth Sciences. 2004. V. 95. № 3/4. C. 423–444.

  20. Holland H.D. Why the Atmosphere Became Oxygenated: A proposal // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2009. V. 73. № 18. P. 5241–5255.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал