Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 2, стр. 127-134

ВВЕДЕНИЕ

Метод Sr-изотопной хемостратиграфии (Strontium Isotope Stratigraphy – SIS), успешно зарекомендовавший себя при изучении карбонатных разрезов фанерозоя, все шире используется при изучении докембрия и становится одним из важнейших источников информации о возрасте докембрийских карбонатных пород [7, 8, 16, 20]. Однако возможности метода SIS для корреляции в докембрии ограничены фрагментарностью кривой вариаций отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr особенно для пород с возрастами 850–1000 и 1050–1450 млн лет [7, 16, 19]. В связи с этим поиск новых объектов, имеющих изотопно-геохронологическую характеристику, является одной из приоритетных задач для расширения базы данных докембрийской SIS.

В настоящее время значительная часть докембрийских карбонатных пород в разрезах древних кратонов уже изучена, поэтому интерес приобретают разрезы докембрийских микроконтинентов, сохранившихся в фанерозойских складчатых поясах, в частности – в Центрально-Азиатском (Урало-Монгольском) складчатом поясе. Одним из таких объектов являются докембрийские карбонатные породы Северо-Тянь-Шаньского микроконтинента, простирающегося от западного окончания Киргизского хребта до районов восточнее оз. Иссык-Куль (рис. 1) [2, 3, 17].

Рис. 1.

Геологическая карта Северного Тянь-Шаня (СТШ) по [15] с изменениями. На врезке – положение СТШ в структуре Урало-Монгольского пояса. 1–3 – комплексы основания Северо-Тянь-Шаньского микроконтинента: 1 – палео(?)- и мезопротерозойские метаморфические толщи, 2 – мезопротерозойские гранито-гнейсы, 3 – неопротерозойские и раннепалеозойские метаморфические комплексы; 4 – неопротерозойские и раннепалеозойские толщи Каратау-Таласской зоны СТШ; 5 – кембрийские и нижнеордовикские вулканиты континентального блока СТШ (а) и океанической дуги и офиолитов Киргизско-Терскейской зоны (б); 6 – терригенные и вулканические толщи ордовика и силура; 7 – раннепалеозойские гранитоиды; 8 – позднепалеозойские толщи; 9 – позднепалеозойские гранитоиды; 10 – Срединный Тянь-Шань; 11 – Южный Тянь-Шань; 12 – отложения мезозоя и кайнозоя (а), водоем, ледник (б); 13 – разлом (а), государственная граница (б); 14 – город (а), изученный разрез (б). БА – Бурханский антиклинорий, КА – Кочкорский антиклинорий, МА – Макбальский антиклинорий, СТШ, СрТШ и ЮТШ – Северный, Срединный и Южный Тянь-Шань соответственно, ТФР – Таласо-Ферганский разлом, ЛН – Линия Николаева, ЮТС – Южно-Тянь-Шаньская сутура, ВЕП – Восточно-Европейская платформа, КНР – Китайская Народная Республика.

Карбонатные породы в Северном Тянь-Шане наиболее широко развиты в разрезах сенкельтейской и суекской свит, обнажающихся соответственно в Кочкорском и Бурханском антиклинориях (рис. 1). Сенкельтейская свита имеет геохронологически подтвержденный мезопротерозойский возраст [18]. Вопрос о возрасте суекской свиты остается дискуссионным, и по определениям окаменелостей она относилась как к мезопротерозою, так и к нижнему палеозою [3–5, 13].

Мы провели геохимическое, Sr-хемостратиграфическое (SIS) и Pb–Pb-изотопно-геохронологическое исследование известняков суекской и сенкельтейской свит. В результате получены первые Sr-хемостратиграфические характеристики докембрийских карбонатов Северного Тянь-Шаня, уточнен возраст свит, а также расширены представления о вариациях отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в водах мезопротерозойского океана.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

Докембрийские стратифицированные толщи на территории восточной части Северного Тянь-Шаня обнажаются в пределах Бурханского и Кочкорского антиклинориев (рис. 1) [3, 4, 10, 13].

В Бурханском антиклинории, находящемся южнее оз. Иссык-Куль (рис. 1), породы докембрия образуют систематическую последовательность свит, прослеживающихся на протяжении более 250 км вдоль простирания структур (рис. 2 а). Породы деформированы в относительно простые складки и метаморфизованы в обстановках филлитовой и зеленосланцевой фаций. В основании докембрийского разреза Бурханского антиклинория обнажаются слюдистые сланцы, филлиты, метапесчаники и гнейсы карагоманской серии [3, 4, 13]. На них несогласно, иногда с базальными конгломератами залегают порфироиды, риолиты, дациты и кислые туфы экургенкольской свиты, сменяющиеся с резким контактом вверх по разрезу массивными и миндалекаменными базальтами и туфами бельчийской свиты. В подошве бельчийской свиты отмечаются линзы конгломератов, а в нижней части разреза – горизонты доломитов. Совместное развитие пород кислого и основного состава предполагает, что вулканиты экургенкольской и бельчийской свит могут представлять бимодальную серию, формировавшуюся в рифтогенной обстановке [3]. Оценки U–Pb-возраста цирконов из порфироидов экургенкольской свиты дают значения 1139 ± 15, 1186 ± 6, 1365 ± 6 и 1373 ± 5 млн лет (SHRIMP, [18]). Выше по разрезу лежит мощная (до 1.5 км), литологически однородная толща филлитов и серицит-хлоритовых сланцев, выделяемая как тарагайская свита, которая с постепенным переходом перекрывается карбонатами суекской свиты [4].

Рис. 2.

Схематические разрезы докембрия Бурханского и Кочкорского антиклинориев. 1–4 – карбонатные породы: 1 – мелководные известняки; 2 – склоновые и бассейновые известняки; 3 – доломиты; 4 – мраморы. 5 – конгломераты; 6 – кварцевые песчаники и кварциты; 7 – филлиты; 8 – биотитовые сланцы (а), сланцы и гнейсы (б); 9 – базальты; 10 – кислые эффузивы; 11 – гранито-гнейсы; 12 – изученные разрезы (а), геохронологические пробы (б). Сокращенные названия разрезов: Ср – Сарыбулак, Ск – Суек, К – Кочкорка.

В западной части Бурханского антиклинория у пос. Сарыбулак (рис. 1) суекская свита сложена мелководными массивными и грубо-плитчатыми светло-серыми известняками с прослоями желтоватых мергелей и горизонтами доломитов в верхней части разреза. На востоке, в районе перевала Суек (рис. 1), в разрезе свиты преобладают известняковые турбидиты, дебрисные брекчии и тонкоплитчатые полосчатые темно-серые известняки (рис. 2 а). В районе пос. Сарыбулак в суекской свите были определены онколиты Osagia tenuilamellata Reitl., входящие в состав среднерифейского комплекса микрофитолитов, а в районе р. Куйлю на востоке антиклинория собраны строматолиты среднерифейского облика [13]. В западной части Киргизского хребта (рис. 1) в разрезах терсбутакской свиты, являющейся стратиграфическим аналогом суекской свиты, определены строматолиты Baicalica baicalica (Masl.) и Baicalica kirgisica Kryl. характерные для среднерифейских отложений Урала [6]. Однако в суекской свите также были отмечены находки спикул губок, предполагающие раннепалеозойский возраст пород [5]. Вследствие противоречивых определений окаменелостей, в разных работах суекская свита относится как к среднему рифею [4, 13], так и к нижнему палеозою [3, 5].

На суекской свите согласно лежат кварцитовидные песчаники, кварциты и сланцы джилусуйской свиты, относившейся различными авторами к рифею [13] или кембрию [3, 4]. Минимальный U–Pb-возраст обломочного циркона определяет максимальный возраст кварцитов – около 1 млрд лет [1]. Разрез венчается грубо- и тонко-слоистыми известняками, глинистыми известняками и доломитами учемчекской свиты [3, 4].

Кочкорский антиклинорий, протягивающийся на 60–70 км в широтном направлении между Иссык-Кульской и Кочкорской впадинами (рис. 1), сложен мезопротерозойскими метаосадочными породами сенкельтейской свиты и гранито-гнейсами кошокбулакского комплекса [3, 4]. В разрезе сенкельтейской свиты преобладают мраморы, мраморизованные известняки и углеродистые известняки. В подчиненных количествах присутствуют биотитовые сланцы, слагающие пачки мощностью в десятки метров, и горизонты кварцитов [4, 5] (рис. 2 б). Породы кошокбулакского комплекса представлены гнейсовидными гранитами, полосчатыми и очковыми гнейсами, в меньшей степени – аплитовидными гнейсами. U–Pb-возраст обломочного циркона из биотитовых сланцев сенкельтейской свиты определяет максимальный возраст осадочного протолита как ~1170 млн лет [18]. С учетом того, что для гнейсов кошокбулакского комплекса получены U–Pb (SHRIMP)-датировки от 1150 до 1045 млн лет [18], возраст сенкельтейской свиты может быть оценен в интервале 1170–1150 млн лет (рис. 2).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Карбонатные толщи Северного Тянь-Шаня были изучены в трех пересечениях на участках Сарыбулак, Суек и Кочкорка (рис. 1).

Известняки суекской свиты изучены в разрезах Сарыбулак и Суек, находящихся соответственно в западной и восточной частях Бурханского антиклинория (рис. 1). Разрез Сарыбулак проходит севернее одноименного поселка на трассе Бишкек-Нарын, в восточном борту долины между точками 41°59′28″ с.ш. 75°42′59″ в.д. и 41°59′20″ с.ш. 75°43′07″ в.д. Пять образцов отобрано из массивных и плитчатых светло-серых афанитовых известняков.

Разрез на перевале Суек (высота 4030 м), являющийся стратотипическим для суекской свиты, изучен в скальных выходах и дорожных врезах западнее перевала между точками 41°46′58″ с.ш., 77°45′23″ в.д. и 41°47′15″ с.ш. 77°45′26″ в.д. Для изотопного исследования отобрано 11 образцов из светло-серых средне-плитчатых известняковых турбидитов и черных тонкоплитчатых пелитоморфных известняков, слагающих межтурбидитовые прослои.

Полосчатые и массивные серые мраморы сенкельтейской свиты (5 образцов) были отобраны на участке Кочкорка на СВ-замыкании одноименной впадины (рис. 1) около шоссе Бишкек-Нарын в районе точки 42°15′59″ с.ш. 75°51′15″ в.д.

Образцы для изотопного изучения отбирались из наименее метаморфизованных разностей, лишенных кальцитовых жил, следов ожелезнения и признаков выветривания. Во всех отобранных образцах определены содержания Ca, Mg, Mn, Fe и Sr в карбонатной составляющей образцов атомно-эмиссионным методом (спектрометр ICAP-7200) после растворения образца в 0.6N HCl.

При изучении Rb–Sr-систематики навеска образца предварительно обрабатывалась 0.1 N раствором HCl для обогащения первичным карбонатным материалом [19]. Изотопный состав Sr измерялся в обогащенных карбонатных фракциях на масс-спектрометре Triton TI. Для калибровки использованы межлабораторные стандарты NIST SRM-987 и EN-1, среднее значение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в которых равнялось 0.710275 ± 0.000008 (2σ_средн., n = 54) и 0.709202 ± 0.000006 (2σ_средн., n = 26) соответственно.

При изучении U–Pb-систематики наименее измененных образцов известняков проводилась предварительная химическая обработка образцов в 0.03N HCl, что позволило удалить поверхностные загрязнения [11, 12]. Далее образцы растворялись в 1N HCl при комнатной температуре с выделением обогащенной карбонатной составляющей. Pb выделялся на анионообменной смоле Bio-Rad 1x8 в 0.5 N растворе HBr. Изотопный состав Pb измеряли на многоколлекторном масс-спектрометре Triton TI с Re-лентами. Возраст рассчитан с использованием программы Isoplot v.4.15, погрешности при вычислении изохроны составили для отношения ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 0.10% и ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb = 0.14%.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Все изученные образцы карбонатных пород сенкельтейской и суекской свит сложены кальцитом (Mg/Ca = 0.003–0.12). Содержание силикатной примеси в большинстве образцов невысокое от 0.9 до 6.3%. Лишь в одном образце из суекской свиты повышается до 24% (табл. 1). Наблюдаемые вариации содержаний примесных элементов могут отражать различия фациальных обстановок и различную степень эпигенетической перекристаллизации пород. Важно отметить, что содержание Sr в большинстве изученных известняков (400–1800 мкг/г) является очень высоким в сравнении с докембрийскими карбонатными породами как неметаморфизованными, так и метаморфизованными [9, 16, 19, 20]. Это предполагает присутствие арагонита в исходном карбонатом осадке [16, 19]. Повышенные содержания Mn и Fe в известняках разреза Сарыбулак предполагают, что эти породы подверглись большей перекристаллизации, чем известняки в разрезе Суек и Кочкорка. Среди изученных образцов, четыре из сенкельтейской свиты и пятнадцать из суекской свиты в полной мере удовлетворяют геохимическим критериям сохранности Rb–Sr-систем докембрийских осадочных известняков – Mg/Ca < 0.003, Mn/Sr < 0.2, Fe/Sr < 3 [7, 8]. Концентрация Rb в образцах варьирует от 0.06 до 0.22 мкг/г, что при высоких концентрациях Sr (400–1800 мкг/г) определяет очень незначительную поправку (менее 0.00002) измеренного отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr при коррекции на предполагаемый возраст пород.

Отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в шести образцах суекской свиты из разреза Суек лежит в интервале 0.70559–0.70566, а в одном наименее измененном образце из разреза Сарыбулак составляет 0.70573. Отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в двух измененных (Mn/Sr 0.21–0.32 и Fe/Sr 3.2–6.7) образцах из суекской свиты в разрезе Сарыбулак повышается до 0.70630 и 0.70916. Отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в образцах сенкельтейской свиты составляет 0.70536–0.70574 (табл. 1).

Для изотопно-геохронологического изучения было выбрано шесть наименее измененных образцов известняков суекской свиты из разреза Суек, удовлетворяющих геохимическим критериям сохранности (Mg/Ca < 0.03, Mn/Sr < 0.03 и Fe/Sr < 0.5). Отношение ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb в изученных образцах варьирует в широких пределах от 30.255 до 257.094, а отношение ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb – от 16.129 до 33.330 (табл. 1). Эти вариации указывают на значительное обогащение первичных карбонатных осадков ураном, а присутствие радиогенного свинца в изученных образцах известняков предполагает отсутствие эпигенетической перекристаллизации пород [11, 12]. Рассчитанное значение Pb–Pb-возраста для известняков суекской свиты составляет 1080 ± 12 млн лет, СКВО = 6.4 (рис. 3).

Рис. 3.

Изохрона в координатах ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb – ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb для наименее измененных известняков суекской свиты из разреза Суек.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Полученная Sr-изотопная характеристика карбонатных пород суекской (0.70559–0.70573) и сенкельтейской (0.70536–0.70574) свит подтверждает их позднедокембрийский возраст. Вместе с этим наблюдаемое различие доказывает, что эти свиты относятся к разным стратиграфическим горизонтам.

Низкие отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в известняках суекской свиты в разрезах Суек (0.70536–0.70566) и Сарыбулак (0.70573) исключают их отложение в палеозойском океане, в котором отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr было выше 0.7074 (рис. 4 а). Таким образом, находки спикул губок в суекской свите [5] являются артефактом, а породы свиты в изученных разрезах не могут относиться к нижнему палеозою.

Рис. 4.

Сопоставление значений ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в наименее измененных известняках суекской и сенкельтейской свит (а) с кривой вариаций отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в фанерозойских и позднепротерозойских океанах [8] и (б) детализированной кривой вариаций ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в океане позднего протерозоя [7, 16, 19].

Полученный Pb–Pb-возраст (1080 ± 12 млн лет) известняков суекской свиты является первой прямой датировкой карбонатных пород Северо-Тянь-Шаньского микроконтинента. Этот возраст указывает на принадлежность свиты к мезопротерозою или среднему рифею ОСШ [14], что согласуется с описаниями строматолитов среднерифейского облика в суекской свите [13] и ее аналогах [6]. Sr-изотопная характеристика известняков суекской свиты близка к таковой в отложениях конца среднего рифея (1030–1050 млн лет назад) – малгинской свиты Учуро-Майского региона (0.70563–0.70592) и сухотунгусинской свиты Туруханского поднятия Сибири – (0.70567–0.70585) [7, 8, 14]. Формально значение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в одном образце известняка суекской свиты из разреза Сарыбулак допускает возраст в интервале 1040–1080 млн лет, что в пределах ошибок измерения согласуется с геохронологической оценкой возраста суекской свиты в разрезе Суек.

Новые Sr-изотопные данные по суекской свите дополняют кривую вариаций отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в среднерифейском океане новым фрагментом для возраста 1080 млн лет назад (рис. 4 б). До этого сведения об изотопном составе Sr в океане среднего рифея (1400–1030 млн лет) относились только к отложениям моложе 1050 млн. лет назад. Единственной точкой для кривой вариаций середины среднего рифея были известняки и гипсы формации Сосайте Клифс Северной Канады с возрастом около 1200 млн лет (см. обзор [7, 8]). Таким образом, наиболее важным результатом для мезопротерозойской SIS следует признать значения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в карбонатах сенкельтейской свиты. Возраст сенкельтейской свиты оценивается в пределах ~1150–1170 млн лет по результатам U–Pb-датирования магматического циркона из прорывающих интрузий и обломочного циркона в породах свиты [18]. Это позволяет сказать, что нами получена новая Sr-изотопная метка (0.70536–0.70539) для кривой вариаций изотопного состава Sr в среднерифейском океане в интервале 1150–1170 млн лет назад (рис. 4 б). Согласно международной шкале, два новых фрагмента характеризуют начало и середину стения мезопротерозоя. Таким образом, новые данные показывают, что отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в первой половине стения увеличивалось от 0.70518 через 0.70536–0.70539 до 0.70536–0.70566.