Палеонтологический журнал, 2021, № 4, стр. 94-102

МАТЕРИАЛ

В нашем распоряжении были образцы красноцветных пород (кварцитов) различного возраста из нижнего протерозоя Карелии – Шокшинского п-ова Онежского озера и о-ва Большой Тютерс Финского залива.

Исторические каменоломни шокшинских кварцитов расположены в Прионежском р-не, на Шокшинском п-ове на Онежском озере в 50 км от Петрозаводска. Географические координаты 61°30′ N; 35°03′ Е. Месторождение приурочено к толще красноцветных пород шокшинской свиты вепсия, венчающей разрез нижнего протерозоя Карелии. Кварциты и кварцитовые песчаники свиты налегают с размывом на песчаники петрозаводской свиты. Для пород характерен чисто кварцевый состав обломочного материала и широкая фациальная изменчивость (Медведев и др., 2011). Красноцветные отложения шокшинской свиты интрудированы силлами ропручейского комплекса. Сиенитовые сегрегации габброперидотитов комплекса датированы уран-свинцовым методом по циркону, возраст 1770 ± 12 млн лет (Бибикова и др., 1990), что является верхним пределом для возраста пород шокшинской свиты. Шокшинский кварцит состоит в основном из кварца, сопутствующие минералы халцедон и серицит. Красноцветность (от темно-малинового до серовато-розового цвета) кварцитов вызвана гематитом (Зискинд, 1989; Туре, Булах, 2017). Причем темный малиновый сорт камня настолько красив, что его использовали при создании саркофага Наполеона в Доме Инвалидов в Париже.

О-в Большой Тютерс находится недалеко от о-ва Гогланд в Финском заливе Балтийского моря. Образцы были отобраны на западном побережье острова. Крупнозернистые кварциты слагают значительную часть обнаженных коренных пород о-ва Б. Тютерс. Эти кварциты считают вторичными, образовавшимися за счет кислотного выщелачивания углекислыми растворами при температуре 375°С подстилающих биотитовых плагиогнейсов (Терехов и др., 2017; Щербакова, Терехов, 2019). Подобные РТ условия (330–375°С, 152–210 МРа) свидетельствуют о высокотемпературной фации образования вторичных кварцитов, сформировавшихся на большой глубине. Тогда как прочие кварциты Балтийского щита считаются низкотемпературными образованиями, кристаллизовавшимися в условиях зеленосланцевой фации (Лютоев и др., 2016). Верхний рубеж формирования вторичных кварцитов оценивается как 1.68 млрд лет (Терехов и др., 2017). В некоторых обнажениях кварцитов на о-ве Б. Тютерс наблюдаются признаки ожелезнения в виде близких к изометричным пятен диаметром до 2 м интенсивно мясо-красного цвета в центре, к периферии интенсивность окраски снижается. Образец ПИН РАН происходит из центральной части такого наложенного ожелезнения из обнажения в южной части о-ва Б. Тютерс. Координаты места отбора образца 59°50′20.1′′ N; 27°11′31.8′′ E.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Поскольку проблема происхождения и условий образования красноцветного пигмента железистых кварцитов представляет значительный интерес, для ее решения были привлечены микропалеонтологические, в частности, бактериально-палеонтологические методы исследования. Для изучения были выбраны красноцветные кварциты Шокши и о-ва Тютерс, имеющие, по данным геологов, разное происхождение. Все бактериально-палеонтологические исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе системы Zeiss EVO 50 с рентгеновским микроанализатором Inca Oxford (350); TESCAN VEGA II ZMU с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450 и TESCAN VEGA 3. Исследовались только свежие сколы образцов, напыление – золотом.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В образцах из нижней пачки шокшинской свиты вепской серии кварц представлен чаще всего хорошо оформленными кристаллами (рис. 1), а также округлыми (диаметр менее 100 мкм) и аморфными частицами (рис. 2).

Рис. 1.

Кристаллы кварца из образца нижней пачки шокшинской свиты, покрытые биопленкой, и химический анализ. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9182 от 11.04.2019 г. Шокшинский п-ов Онежского озера, ~50 км от Петрозаводска, карьер у пос. Шокша; нижний протерозой, шокшинская свита вепской серии, 1-ая нижняя пачка, 1.65–1.8 млрд лет.

Рис. 2.

Зерна кварца из образца нижней пачки шокшинской свиты, покрытые биопленкой. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9250 от 25.04.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 1.

Кристаллы кварца часто покрыты пленкой (рис. 2, 3), в которой иногда можно проследить отдельные нити и кокки, сцементированные уплотненным гликокаликсом, что дает возможность предположить биогенную природу гематитовых пленок, т.е., считать их биопленками. Иногда биопленки покрывают сразу несколько кристаллов, как бы объединяя их (рис. 4).

Рис. 3.

Обломок кварца, покрытый биопленкой, из образца нижней пачки шокшинской свиты, и химический анализ. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9249 от 25.04.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 1.

Рис. 4.

Обломки минералов, покрытые биопленкой, объединяющей несколько кристаллов из образца нижней пачки шокшинской свиты, и химический анализ. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9187 от 12.04.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 1.

Изредка встречаются длинные нитевидные формы диаметром около 1.5 мкм (рис. 5). Однако доказать их инситность невозможно, не исключено, что это более поздние образования. Эта форма напоминает покрытый оксидами железа “стебелек” галионеллы – железобактерии, существование которой в раннепротерозойское время сомнений не вызывает, и присутствие подобной формы в железистом красноцветном пигменте только подтверждает нашу гипотезу о биогенном происхождении красноцветного пигмента кварцитов Шокши. Хотя напоминаем, что это, возможно, более позднее засорение.

Рис. 5.

Нитевидные формы, покрытые оксидами железа, из образца нижней пачки шокшинской свиты. Одна из них разорвана в центральной части и напоминает “стебелек” современных железобактерий Gallionella spp. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9164 от 11.04.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 1.

Химический элементный состав биопленок непостоянен, железо в основном приурочено к биопленкам.

В образцах из верхней пачки шокшинской свиты вепской серии кварц представлен крупными окатанными зернами диаметром $ \gg $100 мкм (рис. 6), довольно часто покрытыми биопленками. Объединения нескольких кристаллов биопленкой не наблюдалось.

Рис. 6.

Крупные окатанные зерна кварца из образца верхней пачки шокшинской свиты, диаметр >100 мкм. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9363 от 30.05.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 1; 3-я пачка шокшинской свиты.

В кварцитах о-ва Тютерс картина принципиально иная. Ни кристаллы, ни крупные окатанные зерна и округло-овальные формы кварца не встречены. Кроме аморфного (скрытокристаллического) кварца наблюдаются фрагменты пород, практически полностью состоящие из спрессованных биопленок, в которых зачастую превалирует кремний (рис. 7, 8). О том, что эти пленки имеют биогенное происхождение, говорит характер их строения, напоминающий спрессованные коккоидные структуры, сцементированные гликокаликсом.

Рис. 7.

Биопленки в кварцитах о-ва Тютерс и их химический состав. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9416 от 13.06.2019 г. Зап. побережье о-ва Б. Тютерс; нижний протерозой.

Рис. 8.

Биопленки в кварцитах о-ва Тютерс и их химический состав. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9429 от 13.06.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 7.

В образцах с доминированием кремния обнаружена интересная крупная (65 × 6.5 мкм) форма с довольно толстой и плотной оболочкой (рис. 9). О ее систематическом положении судить не представляется возможным. Однако, судя по размерам (длина >100 мкм, ширина ≈15 мкм) и довольно сложному внутреннему строению – предполагаемому наличию толстой стенки, можно предположить ее цианобактериальную или даже эвкариотную природу, или, нельзя исключить, что эта форма является частью какого-то крупного организма.

Рис. 9.

Крупная форма сложного строения неясного систематического положения (см. стрелки). Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9412 от 13.06.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 7.

Железистый пигмент в красноцветных кварцитах о-ва Б. Тютерс также присутствует в виде биопленок. Иногда кажется, что биопленки сложены коккоидными формами, погруженными в гликокаликс. Изредка встречаются и нитевидные формы. Нитевидные формы могут быть широкими (иногда >10 мкм) (рис. 10). Нити могут быть и тонкими, покрытыми чехлом.

Рис. 10.

Широкая нить в кварцитах о-ва Тютерс и химический состав. Изображение на электронном микроскопе ZEISS № 9481 от 20.06.2019 г. Местонахождение и возраст см. рис. 7.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По характеру биогенных пленок кварциты Шокши и о-ва Тютерс принципиально отличаются.

На основе взаимоотношения биогенных структур и кварца основной массы красноцветные песчаники шокшинской свиты можно разделить на две группы. Первая группа соответствует нижней пачке шокшинской свиты вепской серии. Кварц в этих кварцитах встречается в виде хорошо оформленных кристаллов размером до 10–20 мкм и их обломков, которые покрыты железистой биопленкой. Причем часто биопленка охватывает сразу несколько кристаллов.

Вторая группа представлена кварцитами верхней пачки шокшинской свиты, где каждое окатанное зерно кварца покрыто биопленкой; объединения кристаллов не наблюдается.

Судя по сохранности кристаллов и зерен кварца и биопленок, их покрывающих, по всей видимости, железистые биопленки Шокши образовались в водной среде непосредственно после образования осадка, и их можно считать практически одновозрастными с процессом седиментации.

Железистые биопленки кварцитов о-ва Тютерс имеют совершенно другой характер. Отдельных зерен или кристаллов кварца, как ни странно, в этих образцах наблюдать не удалось, поскольку кварц присутствует в виде криптокристаллических сливных агрегатов. Железистые биопленки образуют скопления, не связанные с кристаллами кварца (которых наблюдать не удалось). Вероятно, рекристаллизация и образование железистых биопленок были разорваны во времени, т.е., время образования пигмента определить трудно. Можно сказать лишь, что для образования биопленок необходима водная среда.

Соответственно, можно говорить о биогенности красноцветного пигмента, представленного железистыми биопленками, в красноцветных кварцитах Шокши и кварцитах о-ва Тютерс, хотя способ образования пигмента в разных местонахождениях может различаться.

Соотношение микрофоссилий, биопленок и кварца в изученных образцах полностью соответствует природе изученных кварцитов: осадочные континентальные и/или прибрежные отложения шокшинской свиты резко отличаются от продукта углекислотного метасоматоза – вторичных кварцитов о-ва Б. Тютерс. Шокшинская свита представляет собой классический пример осадочных красноцветных формаций позднего протерозоя (Негруца, 2011) суммарной мощностью до 100 м, тогда как развитые на гранитоидах белые вторичные кварциты о-ва Б. Тютерс имеют мощность не более 20 м (Лютоев и др., 2016; Терехов и др., 2017); участки ожелезнения в них проявлены в виде локальных зон с разной интенсивностью красной пигментации площадью первые м². Подобная форма ожелезнения сливных кварцитов явно свидетельствует о наложенном характере ожелезнения, установление возраста которого не представляется возможным. В отличие от ожелезненных вторичных кварцитов, гематитовый пигмент кварцитов шокшинской свиты имеет конседиментационную природу, установленную ранее (Голдобина, Михайлова, 1966).

Крайне важным результатом является обнаружение биопленок, облегающих кварц в образцах из нижней пачки шокшинской свиты. Кристаллический кварц регенерационного цемента образован при растворении и рекристаллизации кварца в условиях глубинного катагенеза (Сочава, 1979). Сохранность биоструктур на таких кристаллах свидетельствует об устойчивости морфологии объектов биогенного (бактериального) происхождения минералов железа даже в условиях метаморфогенного минералообразования.

ВЫВОДЫ

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

− гематитовый пигмент изученных кварцитов имеет биогенное происхождение. В случае шокшинских красноцветов возрастом 1.65–1.8 млрд лет пигмент имеет первичную природу, и наличие биопленок подтверждает гипотезу А. Чухрова (1975) о бактериальном ферригидрите как прекурсоре гематита красноцветных отложений. Находки морфологически сходных с современными железобактериями форм в шокшинских кварцитах однозначно указывают на важную роль этой группы бактерий в формировании гематитового пигмента красноцветов. Время появления гематитового пигмента вторичных кварцитов о-ва Б. Тютерс установить невозможно, но оно явно моложе возраста кварцитов (~1.7 млрд лет).

− различное происхождение кварцевого субстрата, на котором развиты биопленки, определяет характер взаимоотношения кварца и биопленок. В случае шокшинской свиты биопленки облекают зерна песчаной размерности и кристаллический кварц регенерационного цемента. В случае метасоматических кварцитов о-ва Б. Тютерс биопленки не связаны со сливным криптокристаллическим кварцем.

− биогенные образования сохраняют морфологические признаки их происхождения даже в условиях растворения и рекристаллизации кварца основной массы, что позволяет рассматривать гематитовый пигмент красноцветных отложений в качестве подходящего объекта для бактериальной палеонтологии.

* * *

Авторы признательны всем, кто помогал в проведении этой работы, за обсуждение результатов и ценные советы, особенно Е.А. Жегалло, О.С. Самылиной и Г.Т. Ушатинской, а также Л.В. Зайцевой и Р.А. Ракитову за помощь при работе на электронных сканирующих микроскопах.

Работа выполнена в рамках Госзадания № АААА-А18-118011590190-0.