Осадочные последовательности рифея и венда стратотипических регионов Сибири и Урала: Литохимия, хемостратиграфия, геодинамические обстановки формирования

Поздний докембрий, как один из длительных и переломных этапов в развитии древних платформ Земли, включает множество историко-геологических и биологических событий, важных для понимания истории Земли. Событийная летопись позднепротерозойского чехла древних платформ заключена в осадочных отложениях бассейнов стратотипических областей.

В работе обобщены результаты анализа истории формирования вещества осадочных последовательностей позднепротерозойских бассейнов типовой местности Сибирской платформы — Учуро-Майского гипостратотипа рифея и типа венда (Семихатов, Серебряков, 1983) и на основе систематизации литолого-петрографических, петрогеохимических и С-изотопных данных по опорным разрезам позднего докембрия Сибири и Урала проведена реконструкция обстановок формирования породных ассоциаций, выделены основные рубежи эволюции и предложены модели хемостратиграфической корреляция разрезов рифея и венда интраи перикратонных структур Сибирской платформы и Южно-Уральского стратотипа рифея и типа венда Русской платформы.

Актуальность проблемы. Изучение истории формирования и эволюции состава отложений позднепротерозойских осадочных бассейнов древних платформ определяется важностью понимания взаимосвязи изменения процессов осадконакопления, вещественного состава осадков и сопутствующих им полезных ископаемых на протяжении позднего докембрия. Расшифровка условий формирования осадочных последовательностей конкретных бассейнов седиментации верхнего докембрия является краеугольным камнем как в создании моделей седиментогенеза и эволюции древних осадочных бассейнов (Маслов и др., 1998), так и сопутствующих им комплексов биот (Вейс, Петров, 1998), что вкупе с Си Бг-изотопной хемостратиграфией карбонатных отложений создает надежную основу для привязки последовательностей в хроностратиграфической шкале рифея и венда (Семихатов, 1995) и в целом обеспечивает создание системы эталонных объектов для целей стратиграфии докембрия (Негруца, 1997).

Реконструкция геохимической истории и геодинамических обстановок осадконакопления крупных платформенных бассейнов, закономерностей распределения и изменения содержаний элементов и изотопов в главных типах пород позволяет прослеживать историю древних осадочных чехлов платформ и выявлять основные рубежи и тенденции направленно-циклической эволюции вещества осадочной оболочки Земли, что также существенно расширяет методическую базу хроностратиграфии докембрия и способствует, в частности, созданию динамической геохимической модели Земли.

Цель и задачи исследования

Целями настоящего исследования, используя хроностратиграфический подход к расчленению и корреляции осадочных последовательностей являются: а) выявление общих закономерностей эволюции химического состава и генезиса породных ассоциаций осадочных отложений типовых регионов позднего докембрия Сибирской и Русской платформ и корреляция, на основе выделенных хемостратиграфических горизонтов и рубежей, разрезов сибирского гипостратотипа в Учуро-Майском регионе с опорными разрезами позднего докембрия других регионов Сибирской платформы и ее складчатого обрамления и стратотипом рифея в Башкирском мегантиклинорииб) сопоставление на основе усовершенствованного метода С-изотопной хемостратиграфической корреляции карбонатных последовательностей позднего протерозоя Учуро-Майского региона с карбонатными последовательностями бассейнов рифея и венда Сибирской и Русской платформ и типовыми последовательностями мирав) реконструкция палеогеографических и геодинамических обстановок формирования осадочных последовательностей позднедокембрийских бассейнов Сибирской и Русской платформ на основе петрохимической типизации ассоциаций осадочных пород стратотипических местностей верхнего докембрия.

Для достижения поставленных целей решались следующие основные задачи: 1) создан банк петрогеохимических данных по составам пород опорных разрезов позднего докембрия Сибирской и Русской платформ с возможно более детальной привязкой образцов пород осадочных последовательностей в региональных стратиграфических шкалах и общей хроностратиграфической шкале позднего докембрия;

2) изучены вариации химических составов (главные, редкие элементы), пород осадочных последовательностей сибирского гипостратотипа рифея и типа венда и проведено их сопоставление на петрохимической основе с породами опорных разрезов типовых регионов верхнего докембрия Сибирской платформы и Южного Урала;

3) определены основные тренды эволюции химических составов осадков, типа и состава областей сноса и проведена корреляция удаленных разрезов поз^днедокембрийского Учуро-Майского палеобассейна на основе петрохимических и N (1 изотопных данных.

4) отработаны жесткие минералого-геохимические критерии отбора несущественно вторично измененных карбонатов осадочных последовательностей Учуро.

Майского гипостратотипа, получены представительные кривые вариации изотопного углерода карбонатов и на этой основе проведена С-изотопная хемостратиграфическая корреляция с позднепротерозойскими карбонатными последовательностями ряда регионов Сибирской и Русской платформ.

5) выполнен сравнительный анализ вариаций составов главных типов осадочных пород верхнего протерозоя Сибирской, Русской платформ и их складчатых обрамлений, выделены основные петрохимические рубежи эволюции и реконструированы геодинамические обстановки формирования породных ассоциаций эпии перикратонных последовательностей позднего протерозоя на основе их петрохимической систематики.

Научная новизна и практическое значение работы. Впервые для разрезов сибирского гипостратотипа рифея и венда в Учуро-Майском регионе (УМР) Восточной Сибири проведено детальное петрогеохимическое изучение породных ассоциаций опорных разрезов, реконструирован первичный состав областей сноса, уточнены обстановки формирования и проведена петрохимическая корреляция разрезов с типовыми разрезами верхнего докембрия Сибирской и Русской платформ. На основе полученных С, 0-изотопных данных, с учетом выработанных петрографических, катодолюминесцентных и геохимических критериев отбора несущественно измененных первичных карбонатных пород проведена корреляция карбонатных последовательностей рифея и венда Учуро-Майского региона на С-изотопной хемостратиграфической основе и уточнено положение разрезов сибирского гипостратотипа в глобальной системе стратотипов карбонатных последовательностей позднего протерозоя.

Выполнено сопоставление химического состава породных ассоциаций терригенных отложений ряда изученных последовательностей рифея и венда Сибирской и Русской платформ и их складчатого обрамления, что позволило выявить как специфические особенности, так и наиболее общие закономерности и тренды эволюции составов древней осадочной оболочки кратонов Северной Евразии и выделить сквозные геохимические горизонты и рубежи в истории формирования позднепротерозойского осадочного чехла платформ. ,.

Выявлена устойчивость на протяжении рифея и венда средних химических составов терригенных пород крупных геоблоков (платформ), с выраженной цикличностью эволюции составов на протяжении рифея и венда, определяемой сменой геодинамических обстановок формирования осадочных бассейнов. Впервые для разрезов позднего докембрия Сибирской платформы установлено усложнение с течением времени трендов эволюции минерального и химического состава пород, обусловленное дифференциацией тектонических режимов, сменой областей питания и увеличением вклада рециклированных осадков.

Основные защищаемые положения.

1. Позднедокембрийский этап эволюции химических составов терригенных пород типовых осадочных последовательностей рифейского чехла Сибирской и Русской платформ объединяет два основных цикла — ранне-среднерифейский и позднерифей-вендский и выявляет принципиальное сходство геодинамических режимов формирования осадочных отложений в нижнем и среднем рифее (1.6−1.03 млрд. лет) при существенных различиях в истории формирования вещества позднерифейских осадочных бассейнов Сибирской и Русской платформ.

2. Средний химический состав терригенных отложений типовых осадочных последовательностей Сибирской и Русской платформ и их складчатых обрамлений циклично меняется на протяжении рифея и венда, отражая конкурирующий вклад двух основных источников — континентальных блоков и рециклированных орогенов. Петрохимическое сопоставление терригенных последовательностей позволяет выделить единые коррелятивные уровни, отвечающие эпохам глобальных трансгрессий мирового океана и активизации геодинамических режимов платформ, главные из которых для Сибирской платформы — гренвильский (керпыльский) и вендский (дои раннеюдомский).

3. Кривые вариаций изотопного состава углерода сибирских разрезов обладают достаточной разрешающей способностью и обеспечивают глобальную корреляцию разрезов на двух основных уровнях: в конце среднегоначале верхнего рифея (малгинский-лахандинский уровень, 1060−1025 млн. лет) и в середине-конце венда (575 542 млн. лет), отвечающих этапам глобальных трансгрессий мирового океана.

4. Кривая вариаций изотопного состава углерода карбонатов типа верхнего рифеякаратауской серии верхнего рифея уральского стратотипа является глобальным С-изотопным хемостратотипом нижней половины верхнего рифея, обеспечивающим сопоставление уральских, сибирских и мировых разрезов нижней части верхнего рифея и допускает корректную оценку С-изотопного состава воды позднерифейского (900−790 млн. лет) океана, отражая изменение глобальных параметров формирования осадочной оболочки Земли.

Фактический материал и методы исследования. В основу диссертационной работы положены материалы собранные автором в течение многолетних (1986;1995 гг) тематических работ ИГГД РАН на территории Учуро-Майского и прилегающих регионов Сибири, а также материалы полученные при изучении разрезов уральского стратотипа рифея и венда (1984;1999). По отобранным автором образцам и пробам в ИГГД РАН сделано и изучено более 1600 шл., выполнено более 1600 силикатных анализов, 650 количественных спектральных (РСА, АА), 20 нейтронно-активационных анализов и 24 анализа методом ICP-MS. Другим, и существенным для сравнения с уральским стратотипом компонентом работы, является использование, кроме имеющихся (более 800 ан.), переданных Э. З. Гареевым (БНЦ РАН, г. Уфа) в банк данных «Precsed» (ИГГД РАН) 610 петрохимических анализов осадочных пород позднего протерозоя Башкирского мег.антиклинория.

Кроме того, при создании банка данных «PRECSED» (более 10 400 анализов, ИГГД РАН, 1982;1999 гг) по химическому составу осадочных пород позднего докембрия, в него включены и учтены в данной работе, химические анализы пород любезно предоставленные А. В. Ивановской (146 анализов по рифею Туруханского поднятия и байкальской серии Байкальской горной области), В. К. Немерова (около 120 анализов по рифею и венду патомской серии Байкальской горной области), Б. Р. Шпунтом (142 анализа по разрезам севера Сибирской платформы), около 50 анализов из фондовых работ А. И. Старникова и В. И. Сухорукова по разрезам Юдомо-Майского прогиба Учуро-Майского региона, 25 анализов карбонатных пород из коллекции Ю. В. Давыдова и данные из работы В. Г. Петрова (1982, 520 анализов по разрезам Енисейского кряжа). Анализ изотопного состава углерода и кислорода 184 обр. карбонатов Учуро-Майского региона для С-изотопной хемостратиграфической корреляции карбонатных разрезов выполнен в ИГГД РАН (ан. Д.П.Виноградов) и Гарвардском ун-те (Бостон, США, ан.

A.Дж.Кауфман) по коллекциям автора, Ю. В. Давыдова (ИГ ЯНЦ РАН) и М. А. Минаевой.

ВСЕГЕИ). Дополнительно для анализа эпигенетических преобразований и у реконструкции исходных составов карбонатных пород использованы микрозондовые определения составов минералов в полированных шлифах (более 60 анализов) и катодолюминесцентные определения фазового состава минералов на ЭМ «CamScan» со спектрометром «Link» (32 образца).

На основе литературных и вновь полученных в ГИН РАН (лаб. М.А.Семихатова) и ИГГД РАН (лаб. А.Б.Котова) данных по геохимии и изотопному составу углерода и кислорода карбонатов доработана методика комплексного минерало-геохимического отбора первичных минеральных фаз карбонатов с неизмененным изотопным составом карбонатного углерода. Для анализа модельных возрастов источников вещества осадков сибирского стратотипа рифея и венда использованы данные по изотопному составу Sm и Nd глинистых пород, полученные по образцам автора и любезно предоставленные.

B.П.Ковачем (ИГГД РАН).

Практическая значимость работы. Комплексное литохимнческое и изотопно-геохимическое изучение осадочных последовательностей стратотипических местностей обеспечивает, совместно с традиционными геологическими методами, создание развернутой базы эталонных стратиграфических последовательностей докембрия (Негруда, 1997) и позволяет провести более точную привязку палеонтологически немых разрезов рифея и венда к хроностратиграфической шкале, что может найти широкое применение в практике картирования и корреляции литостратиграфических подразделений позднего докембрия. Ряд разработок автора, таких как усовершенствованная комплексная методика С-изотопной корреляции карбонатных последовательностей на основе предложенных минерало-геохимических критериев оценки сохранности первичных карбонатов и методика определения геодинамических обстановок формирования терригенных ассоциаций на основе комплексных петрохимических и изотопно-геохимических критериев введена в ряде геологических учреждений РАН в практику изучения осадочных отложений позднего докембрия.

Апробация работы. Основные положения и результаты работ докладывались на всесоюзных, всероссийских, региональных и международных конференциях, совещаниях и симпозиумах: «Геология и геохронология Сибирской платформы», Иркутск, 1987; «Эволюция докембрийской литосферы», Ленинград, 1991; Международная конференция «Докембрий Европы: Стратиграфия, структуры, эволюция и рудообразование», С. Петербург, 1995; «Общие проблемы стратиграфии и геологической истории рифея Северной Евразии», Екатеринбург, 1995; «Палеогеография венда-раннего палеозоя Северной Евразии», Екатеринбург, 1996; Осадочные формации докембрия и их рудоносность. С. Петербург, 1998; Геологическое развитие протерозойских перикратонных и палеоокеанических структур Северной Евразии. М.-СПб., 1999; «Суперконтиненты в геологической истории докембрия», Иркутск, 2001 и ряде других.

Основные положения диссертации изложены в 44 работах.

Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка литературы. Объем работы 394 стр., из них 268 стр. текста, 93 рис., 25 таблиц и список литературы из 440 наименований. Ввиду большого объема графического и табличного материала в работу не введена привязка образцов других изученных регионов кроме Учуро-Майского, выполненная с доступной точностью и сведенная в банке петрогеохимических данных «РИЕСБЕБ», ИГГД РАН.

Заключение

.

Изложенные в диссертации результаты позволили рассмотреть общие закономерности эволюции химического состава породных ассоциаций осадочных отложений позднего протерозоя сибирского гипостратотипа рифея и типа венда в Учуро-Майском регионе Восточной Сибири. Впервые для отложений рифея и венда Учуро-Майского региона, как и ряда стратотипических местностей позднего докембрия Сибирской и Русской платформ проведена совместная корреляция на литохимической и С-изотопной основе терригенных и карбонатных разрезов, подчеркнуто сходство и различие в составах породных ассоциаций, формировавшихся в различных геодинамических обстановках и выделены реперные геохимические рубежи эволюции состава осадочных отложений.

Анализ состава породных ассоциаций разрезов изученных регионов Сибирской платформы позволяет выделить два основных цикла эволюции в рамках нижнего-среднего рифея и верхнего рифея-венда, соответствующих ранее выделенным циклам для отложений позднего протерозоя Русской платформы (Сочава, Подковыров, Фелицын, 1994) и определяемых глобальными параметрами эволюции геодинамических режимов Земли. Наблюдается существенное сходство в осадочной цикличности и составах породных ассоциаций нижнего и среднего рифея сибирских разрезов с разрезами стратотипа рифея на Южном Урале — преобладание более зрелых, Ыа-К и К серий терригенных отложений в начале рифея и менее зрелых, полимиктовых, К-Ш в конце среднего рифея, формировавшихся в разнообразных по морфологии, пологих свермелководных и мелководных интракратонных бассейнах вялого или активизированного режима платформ.

Отсутствие протяженных типовых разрезов верхнего рифея в большинстве интра и окраинно-кратонных структур Сибирской платформы связано с различием в геодинамической эволюции позднерифейских бассейнов сибирского и уральского типов. В целом для позднего рифея было характерно высокое стоянием Сибирской платформы с преобладанием выноса обломочного материала в периферические шельфовые области и постепенным переходом к плитной тектонике с формированием позднерифейских и вендских задуговых бассейнов обрамления (Байкало-Патомский и др. прогибы), в отличии от почти непрерывно формировавшегося крупного перикратонного бассейна каратавия на Южном Урале (Маслов, 19 976), что согласуется с представлениями о смене внутриплитной тектоники процессами окраинноплитного типа на рубеже около 1 млрд. лет (Хаин, Божко, 1988).

Вариации петрохимических параметров терригенных отложений типовых последовательностей позднего протерозоя Сибирской и Русской платформ показывают, что главными источниками сноса песчаного и глинистого материала являлись варьирующие по составу, но преимущественно гранитоидные, в меньшей степени осадочно-метаморфические и рециклированные осадочные породы, слагавшие два основных типа питающих провинций — континентальные блоки и рециклированные орогены, что согласуется с выводом ранее полученным А. В. Масловым при изучении отложений типа рифея на Южном Урале.

Роль континентальных блоков и темпы вызревания кластики повышалась в эпохи вялого (пассивного) тектонического режима на начальных-средних этапах геохимических циклов (нижний-начало среднего и верхний рифей), вклад орогенных источников незрелого в петрохимическом отношении материала возрастал в эпохи активизации (керпыльская, Сибирь и зигазино-комаровская — авзянская, Южный Урал, эпохи конца среднего рифеяразвитие вендских пассивных и активных окраин платформ). Геодинамическая типизация изученных породных ассоциаций рифей-вендских отложений позволяет выделить по модульным петрохимическим критериям несколько типов обстановок от активных и пассивных континентальных окраин до внутриплитных пассивного геодинамического режима. Последний, судя по вариациям породных составов, являлся преобладающим для осадочных бассейнов Сибирской и Русской платформ на протяжении рифея и венда.

Установлено, как и ранее A.B. Масловым (1997) для стратотипа рифея, усложнение на протяжении рифея и венда трендов эволюции вещественного состава пород, обусловленное сменой тектонических режимов, областей питания и циклическим увеличением вклада рециклированных осадков при сходной с Русской платформой (Аксенов, 1999) асимметрии в развитии позднепротерозойских бассейнов различных частей Сибирской платформы, определяющих и их минерагенический облик.

Хемостратиграфические (элементные и С-изотопные) корреляции позволяют выделить ряд реперных литостратиграфических горизонтов, сквозных для разрезов Сибирской и, отчасти, Русской платформ и фиксирующих закономерную смену геодинамических обстановок формирования осадочных бассейнов позднего протерозоя. К таким горизонтам относятся:

1. Суперкалиевые терригенные отложения базальных разрезов рифея Сибири (учурская серия Учуро-Майского региона и др.), формировавшиеся в латерально дифференцированных обстановках слабой (прерванной) активизации эпиплатформенного режима в условиях преобладающего сухого аридного или семиаридного климата.

2. Терригенные (тоттинская свита УМР) К-№ лититовые и известководоломитовые карбонатные (малгинская, ципандинская и лахандинская свиты среднегоначала верхнего рифея УМР) ассоциации стадии позднегренвильской активизации тектонического режима с переходом к динамике пассивной окраины и последующей стабилизацией тектонического режима, фиксируемой по смене незрелых ассоциаций.

1 ^ зрелыми терригенными и переходу от околонулевых значений 8 С к повышенным положительным, что фиксируется также в разрезах конца среднего-начала верхнего рифея Туруханского поднятия и Енисейского кряжа.

3. Карбонатные последовательности юдомской серии восточных разрезов ЮМП.

Учуро-Майского региона, фиксирующие бимодальную вариацию 8 С карбонатов с переходом от высоких положительных к отрицательным и вновь варьирующим положительным значениям, коррелируемую с типовыми разрезами верхнего венда Намибии, Омана, запада и северо-востока Сибирской платформы к модельным изотопным возрастом от ~ 570 до 543 млн. лет.

Совместный анализ вариаций петрогеохимических и С-изотопных параметров терригенно-карбонатных отложений значительно расширяет возможности хемостратиграфических методов при корреляции палеонтологически немых отложений позднего докембрия и существенно расширяет основу комплексных (голостратиграфических, М. А. Семихатов, 1995) методов стратиграфии осадочных последовательностей докембрия. Полученные при изучения типовых осадочных последовательностей позднего докембрия результаты является составной частью создаваемой базы данных эталонов разрезов и границ стратотипическим местностей докембрия как части предлагаемой (Негруца, 1997) единой всероссийской сети опорных разрезов стратиграфических подразделений докембрия.

В целом, рифей и венд типовых регионов Северной Евразии — время господства зрелых калиевых ассоциаций в терригенных породах и океанических меток изотопного состава углерода в карбонатах, что свидетельствует о слабой динамике взаимодействия в системе континентальная-океаническая кора.