Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 11-17

Небольшой по размерам остров Столб расположен на входе в разветвленную сеть дельты реки Лены, где она разделяется на три главные протоки: Оленекскую, Бол. Трофимовскую и Быковскую, примерно в 150 км от места впадения в море Лаптевых (рис. 1). Этот скальный выступ высотой 114 м, расположенный практически в центре реки, рассматривается как останец Хараулахского хребта, маркирующего фронтальную зону надвиговой структуры Верхоянского складчатого пояса. Геологический разрез о. Столб общей мощностью около 200 м сложен выдержанной по составу и строению толщей карбонатно-силикатных обломочных пород, преимущественно тонкопесчаной и крупноалевритовой размерности с редкими маломощными прослоями интракластовых гравелитобрекчий [1]. Детальные литолого-седиментологические и биостратиграфические исследования позволили расчленить разрез на 37 пачек мощностью от 0.6 до 16 м (для большинства пачек мощность составляет первые метры), обосновать франско-фаменский возраст и относительно глубоководный тип осадконакопления в пределах дистальной части шельфа [1]. При этом в основании разреза, внутри пачки 3 обнаружен пакет темно-серых и черных углеродисто-глинистых пород, который по литолого-стратиграфическим признакам может быть сопоставлен с одним из самых крупных в фанерозое биотических кризисов – Upper Kellwasser. Ареал распространения его следов, возможные глобальные и региональные причины дискутируются [2]. В качестве главной версии называется изменение климата, вызванное бурным развитием континентальной растительности и, соответственно, перераспределением CO₂, что в итоге привело к появлению аноксических условий, которые зафиксированы, главным образом, в шельфовых бассейнах Северной Америки, Западной Европы, Южного Китая, Гондванской группы континентов, находившихся в южных субтропиках и вблизи экватора [2]. Сибирская континентальная окраина согласно палеогеографическим построениям не попадает в эту полосу [2–4]. Несколько другой сценарий резкого изменения среды обитания на фоне постепенных климатических преобразований включает региональный тектонический фактор, прежде всего, смену характера континентального сноса в бассейны осадконакопления. Проверить эту гипотезу можно на основе изучения вариаций скалярных петромагнитных параметров. Наиболее чутким инструментом являются магнитная восприимчивость (k), величина естественной остаточной намагниченности (NRM), фактор Кенигсбергера (Qn), которые в отличие от векторных палеомагнитных характеристик (включая смену магнитной полярности) не зависят от режима генерации геомагнитного поля, а связаны с концентрацией Fe-содержащих частиц. В частности, в ряде изученных разрезов Европы, Северной Америки, Африки именно петромагнитная, а не магнитополярная запись позволяет проводить детальные, в том числе, межрегиональные корреляции [5].

Рис. 1.

Вид на о. Столб с западной стороны.

C целью создания петромагнитного эталона рубежа франа-фамена для территории Северного Хараулаха и оценки перспективности его использования для решения вопросов стратиграфии района, а также поиска “магнитных следов” биотической катастрофы проведен анализ вариаций основных петромагнитных характеристик в разрезе о. Столб. Стандартный набор петромагнитных параметров мы дополнили изучением векторных палеомагнитных характеристик и анизотропии магнитной восприимчивости (AMS), которая в осадочных породах служит не только для оценки сохранности магнитной текстуры осадка, но и может помочь в определении направления сноса магнитного материала [6, 7].

Нам удалось охарактеризовать 30 пачек разреза (рис. 2). Каждое определение на представленных графиках является средней величиной для соответствующего литологического уровня и рассчитано не менее чем по 9 образцам. Вариации по разрезу величин NRM (~10^–3 А/м) и k (~10^–5 ед. СИ) незначительные (рис. 2). Исключение представляет пачка 26, расположенная в разрезе значимо выше события Upper Kellwasser. Здесь установлено резкое (на порядок) кратковременное изменение NRM и k. Оба указанных параметра в основном меняются синхронно. Об этом свидетельствуют слабые вариации величины Qn, которая представляет отношение NRM и k. Величина Qn по всему разрезу в среднем составляет ~0.5. Максимальные значения Qn (~1.5 и более) отвечают пачкам 5 и 26 (рис. 2).

Рис. 2.

Вариации петромагнитных параметров и характеристик АМS в изученном разрезе. Литолого-стратиграфическая колонка по [1] с упрощениями. Серым цветом на графиках показан диапазон вариаций магнитных характеристик в точках опробования. 1 – известняки; 2 – доломиты; 3 – калькарениты; 4 – доларениты; 5 – конгломератовидные известняки; 6 – песчаники; 7 – алевролиты; 8 – аргиллиты, глинистые породы; 9 – оползневые брекчии; 10 – наличие сульфидов в слоях; 11 – горизонты с углистым веществом. 0-й метр разреза соответствует кровле 37-й пачки в наивысшей точке острова.

Вариации Qn косвенно отражают соотношение ориентационной (детритной) и химической намагниченности в образцах. При ориентационной намагниченности, связанной в большей степени с аллотигенным магнетитом, как наиболее сильным и частым ферромагнетиком в осадках, наблюдается положительная корреляция k и NRM. Поэтому мы предполагаем, что пик концентрационно-зависимых параметров для пород пачки 26 прежде всего соответствует кратковременному увеличению доли аллотигенного Fe-содержащего материала, который не связан с событиями глобального характера, а имеет узкорегиональные причины, например, обособление богатой магнетитом кислой вулканокластики в источнике сноса [1].

Повышенные Qn при отрицательной корреляции значений k и NRM, как в пачке 5 и некоторых других, может говорить о большем вкладе химической намагниченности, обусловленной присутствием аутигенных магнитных минералов, например, грейгита и пирротина. Их образование в морских мелко- и тонкозернистых осадках со значительным количеством органики, илистой фракции, отмечающей восстановительные условия окружающей среды, очень характерно [8]. И хотя стабильность этих минералов дискуссионная, тем не менее они сохраняются в карбонатно-глинистых породах даже эдиакарского возраста [9]. В разрезе о. Столб на фоне карбонатно-кластических (в том числе и обломочных доломитов) отмечаются битумные прослойки, рассеянное углеродистое вещество и примеси глинистого материала [1], что свидетельствует об условиях, подходящих для образования указанных сульфидов железа и дефицита кислорода, способствующего формированию аноксийных условий в бассейне. Тем не менее пачка 3 на общем фоне не выделяется (рис. 2), и четких литологических критериев или последовательности смены слойков, в которых бы фиксировалось закономерное изменение соотношения аллотигенных и аутигенных магнитных частиц, обнаружить не удалось. Главным фактором, контролирующим этот процесс, вероятно, была скорость осадконакопления, которая постоянно варьировала. Даже при ее незначительном росте значимо уменьшается концентрация органического вещества и соответственно увеличивается доля детрита. Периодам относительно спокойного осадконакопления соответствует увеличение концентрации углеродистого материала, органики и соответственно более активное замещение привнесенного магнетита сульфидами железа, в итоге вклад аутигенных частиц растет.

Для анализа магнитной текстуры пород, определяемой по результатам исследования AMS, используется параметр Pj, характеризующий общую степень анизотропии и Т, описывающий форму эллипсоида AMS [7]. Они рассчитываются по формулам: Pj = exp{sqrt[2*(n1–n)^2 + (n2–n)^2 + + (n3–n)^2)]} и T = (2*n2 – n1 – n3)/(n1 – n3), где n1, n2, n3 – натуральные логарифмы нормированных на общую величину магнитной восприимчивости значений K1, K2, K3, соответствующих главным осям эллипсоида (K1 > K2 > K3), а n = (n1*n2*n3)^1/3. Значение Pj = 1 соответствует магнитно-изотропной среде и увеличивается по мере роста степени анизотропии, как правило, вследствие стрессового воздействия. Параметр формы T > 0 указывает на сплюснутый эллипсоид AMS, T < 0 при его вытянутой форме. Зафиксированные в изученном разрезе Pj в среднем 1–1.06, а T преимущественно положительный (рис. 2), что, в целом, соответствует слоистым осадкам, которые не подверглись стрессовым деформациям. Обнаруженные магнитные текстуры мы группируем в 4 типа (рис. 3) и связываем их с различными условиями седиментации, диагенеза и/или различиями в составе магнитных минералов [7].

Рис. 3.

Типичные магнитные текстуры отложений о. Столб. Стереограммы отображают распределения осей эллипсоида AMS: K1 – максимальной, K2 – средней, K3 – минимальной. На графиках изображена зависимость фактора формы T от степени анизотропии Pj.

Первый, наиболее распространенный тип отвечает первичной магнитной текстуре, когда максимальная ось К1 ориентирована вдоль слоистости, а минимальная ось K3 перпендикулярна слоистости (рис. 3а).

Для пачек с явными структурно-текстурными признаками быстрого перемешивания осадка вследствие подводного оползания (пачки 2, 3, 20 и др.), характерен второй тип магнитной текстуры, когда эллипсоид AMS ориентирован косо по отношению к измеренной слоистости (рис. 3б). При этом максимальные оси также как и в первом типе всегда направлены на восток, юго-восток (в среднем по всем пачкам D = 93.8°, I = = 8.1°). Согласно теоретическим данным, это может отвечать преобладающему направлению палеотранспорта или ориентировке палеосклона [6]. Соответственно кластический материал в позднедевоский бассейн, в основном, поступал с палеоконтинента [10], а не с противоположной стороны, где по некоторым моделям предполагается гипотетическая суша [11].

Преимущественно в верхней части разреза встречается третий тип магнитной текстуры, когда средняя и вертикальная оси расположены субвертикально или наклонно (рис. 3в), при этом сохраняется сплюснутая форма эллипсоида.

Наконец, четвертый тип магнитной текстуры зафиксирован лишь в нескольких пачках, отличается нейтральным или вытянутым эллипсоидом AMS с T от 0 до –1 и наиболее высокими значениями степени анизотропии – до 10% (рис. 3г). Возникновение двух последних типов текстур может быть обусловлено подводно-оползневыми процессами, значительной биотурбацией, либо наличием аутигенных магнитных сульфидов, для которых характерно преобладание магнитокристаллической анизотропии над анизотропией формы [7, 12].

Результаты температурной чистки и компонентного анализа NRM свидетельствуют, что наиболее стабильной компонентой является характеристическая, температура деблокирования которой близка температуре Кюри магнетита. Как правило, основная часть (до 90%) NRM разрушается при нагреве от 520 до 570°С (рис. 4). Мы полагаем, что эта компонента имеет ориентационную природу, т.е. образовалась за счет ориентировки частиц магнитного детрита по направлению геомагнитного поля во время осадконакопления.

Рис. 4.

Характерные ортогональные диаграммы, стереограммы и соответствующие графики зависимости величины намагниченности от температуры по результатам температурного размагничивания. На ортогональных диаграммах темные точки отвечают проекции вектора на горизонтальную плоскость, светлые – на вертикальную плоскость; на стереограммах – темные точки соответствуют проекции вектора на нижнюю полусферу, светлые – на верхнюю полусферу; система координат стратиграфическая.

Во многих образцах падение величины NRM также отмечается в диапазоне температур 300–350°С, что подтверждает предположение о наличии сульфидов железа (пирротина и, возможно, грейгита), имеющих обычно химический тип намагничивания. При этом направление данной компоненты статистически не отличается от характеристического. Учитывая сведения о сохранности осадочной магнитной текстуры, можно предполагать, что возникновение химической намагниченности обусловлено преобразованием детритового магнетита и происходило вскоре после его попадания в осадок, до или во время диагенетических преобразований, литификации и окончательной фиксации намагниченности, т.е. по сути не отличается от первичной. Однако палеомагнитный полюс (Plat = 35.5°, Plong = 221.2°, A95 = 6.3°), рассчитанный по совокупности характеристических направлений в 21 пачке разреза (n = 206, Ds = 73.7°, Is = 51.6°, K = 204.8, α95 = = 2.1°), заметно отличается от ожидаемого для позднего девона Сибири [3]. Кроме того, все палеомагнитные направления в изученном разрезе о. Столб имеют исключительно положительное наклонение, тогда как в мировых аналогах франско-фаменский интервал отличается частой сменой полярности. Эти факты требуют дополнительного исследования, однако современные данные все больше подтверждают предположение о крайней нестабильности, аномально сложной конфигурации геомагнитного поля в девоне, вследствие резкого снижения величины его дипольного момента [13–15]. И хотя причины коррелятивной связи между событиями в магнитосфере и биосфере до конца неясны, само ее наличие отрицать сложно [16]. Так, признаки заметного снижения величины палеонапряженности отмечаются на переломном в эволюции жизни рубеже палеозоя–мезозоя [17], на других эволюционных границах, отвечающих моментам геодинамических перестроек [16].

Таким образом, петромагнитный “портрет” девонского разреза о. Столб исключает влияние региональных тектонических факторов, которые могли бы обеспечить создание аноксических условий в позднедевонском осадочном бассейне Сибирской окраины. Вариации петромагнитных характеристик незначительные и определяются, главным образом, соотношением аллотигенных и аутигенных магнитных минералов, которое контролировалось незначительными колебаниями объема поступающей терригенной примеси и разной степенью диагенетических преобразований в преобладающей восстановительной среде. Соответственно, к массовому вымиранию организмов определенно привели глобальные изменения, обеспечившие создание такой среды. При этом полученные векторные палеомагнитные характеристики указывают на вероятный аномальный характер геомагнитного поля во время формирования изученного разреза в девоне, что может быть отражением глобальной геодинамической перестройки, которая затронула не только магнитосферу, но и получило распространение в биосфере, в том числе, сопровождало массовое вымирание Upper Kellwasser.