Систематика редкоземельных элементов, Y, Th, U и Mn в верхнедевонских конодонтах Западно-Уральской внешней зоны складчатости (Южный Урал)

Объект исследований. В статье обсуждаются результаты исследования систематики редкоземельных элементов (РЗЭ), Y, Th, U и Mn в конодонтах верхнего девона (аскынский (фран) и макаровский (фамен) горизонты, разрезы Куккараук, Ряузяк и Лемезинский) Западно-Уральской области передовой складчатости Южного Урала.

Методы. Конодонты из карбонатных пород выделены с использованием традиционной методики путем растворения их в органических кислотах, прежде всего муравьиной. Пробоподготовка и масс-спектрометрический анализ проведены в ИГГ УрО РАН в блоке чистых помещений (классы ИСО 6, 7). Измерения микроэлементного состава осуществлены на квадрупольном ИСП-масс-спектрометре ELAN 9000 (PerkinElmer). Измерение изотопных отношений Sm и Nd выполнено из 3%-го азотнокислого раствора на мультиколлекторном магнитосекторном масс-спектрометре с индуктивно-связанной плазмой Neptune Plus, Thermo Fischer. Долговременная воспроизводимость и правильность измерительной процедуры оценивались с помощью стандартного раствора Merck Nd, приготовленного на основе NIST Nd2O3 : 143Nd/144Nd = 0.511720 ± 15 (1 SD, n = 40).

Результаты. В ходе исследований установлено, что особенности нормированных по PAAS спектров распределения лантаноидов в валовых (10.4–21.8 мг) пробах конодонтов, значения Ce аномалий, высокие величины ∑РЗЭ (173–1211 г/т) и ряд других параметров указывают на ведущую роль позднедиагенетических процессов в формировании свойственной конодонтам систематики РЗЭ. На это же указывают и присущие изученным выборкам конодонтов значения Y/Ho (≈26–32).

Выводы. В целом распределение лантаноидов в конодонтах позволяет считать, что оно контролируется преимущественно литогенным (от 90 до более 99%) источником РЗЭ. Свойственные конодонтам аскынского и макаровского горизонтов величины εNd(t) (–4.0…–2.8) дают основание предполагать, что изотопный состав Nd в них либо сформирован под влиянием вод открытого океана, характеризовавшихся существенной долей радиогенного Nd, либо обусловлен поступлением более радиогенных вод океана в шельфовую зону на пике морской трансгрессии, имевшей место в рассматриваемом регионе в фамене. 

1. Абрамова А.Н. (1999) Франский ярус западного склона Южного Урала. Уфа: ИГ УфНЦ РАН, 55 с.

2. Вотяков С.Л., Киселева Д.В., Розанов А.Ю., Чередниченко Н.В., Ушатинская Г.Т. (2007) Мультиэлементный масс-спектрометрический микроанализ в исследованиях биоминеральных образований. Литосфера, (1), 123-137.

3. Дубинин А.В. (2006) Геохимия редкоземельных элементов в океане. М.: Наука, 360 с.

4. Зоненшайн Л.П., Кориневский В.Г., Казьмин В.Г., Сорохтин О.Г., Коротеев В.А., Маслов В.А., Зайков В.В., Рудник Г.Б., Кашинцев Г.Л., Матвеенков В.В., Хаин В.В., Зайкова Е.В., Кабанова Л.Я. (1984) Строение и развитие Южного Урала с точки зрения тектоники литосферных плит. История развития Уральского палеоокеана. М.: Ин-т океанологии АН СССР, 6-56.

5. Иванов К.С. (1987) Методы поисков и выделения конодонтов. Методические рекомендации. Свердловск: УНЦ АН СССР, 118 с.

6. Методика палеонтологических исследований. (1973) Под ред. и с предисл. д-ра геол.-мин. наук Д.П. Найдина. М.: Мир, 391 с.

7. Путеводитель геологической экскурсии по разрезам палеозоя и верхнего докембрия западного склона Южного Урала и Приуралья. (1995) Сост. В.И. Козлов и др. Уфа: ИГ УНЦ РАН, 176 с.

8. Пучков В.Н. (2000) Палеогеодинамика Южного и Среднего Урала. Уфа: Гилем, 146 с.

9. Стрелецкая М.В., Зайцева М.В., Киселева Д.В., Солошенко Н.Г. (2016) Оценка возможности применения смол TRU, LN, DOWEX 50Ч8 для подготовки проб к изотопному масс-спектрометрическому анализу Sm и Nd. Минералы: строение, свойства, методы исследования. Мат-лы VIII Всерос. молодеж. науч. конф. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 156-158.

10. Тагариева Р.Ч., Мизенс А.Г. (2015) Разрезы западного склона Южного Урала, перспективные для выбора точки регионального стратотипа нижней границы фаменского яруса. Литосфера, (3), 33-56.

11. Тейлор С.Р., МакЛеннан С.М. (1988) Континентальная кора: ее состав и эволюция. Пер. с англ. М.: Мир, 384 с.

12. Формирование земной коры Урала. (1986) Отв. ред. С.Н. Иванов, С.Г. Самыгин. М.: Наука, 248 с.

13. Abramova A.N., Artyushkova O.V. (2004) The Frasnian-Famennian Boundary in the South Urals. Geol. Quarterly, 48(3), 217-232.

14. Armstrong H.A., Pearson D.G., Griselin M. (2001) Thermal effects on rare earth element and strontium isotope chemistry in single conodont elements. Geochim. Cosmochim. Acta, 65, 435-441.

15. Arraes-Mescoff R., Roy-Barman M., Coppola L., Souhaut M., Tachikawa K., Jeandel C., Sempйrй R., Yoro C. (2001) The behavior of Al, Mn, Ba, Sr, REE and Th isotopes during in vitro degradation of large marine particles. Marine Chem., 73(1), 1-19.

16. Artyushkova O.V., Maslov V.A., Pazukhin V.N., Kulagina A.G., Tagarieva R.Ch. Mizens L.I., Mizens A.G. (2011) Devonian and Lower Carboniferous type sections of the western South Urals. Biostratigraphy, Paleogeography and Events in Devonian and Lower Carboniferous Pre-Conference Field Excursion Guidebook. Int. Conf. Ufa, IG Ufa Research Centre of RAS, 92 p.

17. Bau M. (1996) Controls on the fractionation of isovalent trace elements in magmatic and aqueous systems: Evidence from Y/Ho, Zr/Hf, and lanthanide tetrad effect. Contrib. Mineral. Petrol., 123, 323-333.

18. Bau M., Dulski P. (1996) Distribution of yttrium and rare-earth elements in the Penge and Kuruman iron formations, Transvaal Supergroup, South Africa. Precambr. Res., 79, 37-55.

19. Bright C.A., Cruse A.M., Lyons T.W., MacLeod K.G., Glascock M.D., Ethington R.L. (2009) Seawater rare-earth element patterns preserved in apatite of Pennsylvanian conodonts? Geochim. Cosmochim. Acta, 73, 1609-1624.

20. Byrne R.H., Sholkovitz E.R. (1996) Marine chemistry and geochemistry of the lanthanides. The Handbook on the Physics and Geochemistry of the Rare Earths (Eds K.A. Gschneidner, Jr.L. Eyring). Amsterdam, Elsevier, 497-593.

21. Canfield D.E., Thamdrup B. (2009) Towards a consistent classification scheme for geochemical environments, or why we wish the term 'suboxic' would go away. Geobiology, 7, 385-392.

22. Chen J.B., Algeo T.J., Zhao L.S., Chen Z.Q., Cao L., Zhang L., Li Y. (2015a) Diagenetic uptake of rare earth elements by bioapatite, with an example from Lower Triassic conodonts of South China. Earth-Sci. Rev., 149, 181-202.

23. Chen X.H., Zhou L., Wei K., Wang J., Li Z.H. (2012) The environmental index of the rare earth elements in conodonts: Evidence from the Ordovician conodonts of the Huanghuachang Section, Yichang area. Chin. Sci. Bull., 57, 349-359.

24. Chen Z.Q., Yang H., Luo M., Benton M.J., Kaiho K., Zhao L.S., Huang Y., Zhang K., Fang Y., Jiang H., Qiu H., Li Y., Tu C., Shi L., Zhang L., Feng X., Chen L. (2015b) Complete biotic and sedimentary records of the Permian-Triassic transition from Meishan section, South China: Ecologically assessing mass extinction and its aftermath. Earth-Sci. Rev., 149, 67-107.

25. DeBaar H.J.W., Bacon M.P., Brewer P.G., Bruland K.W. (1985) Rare earth element distributions in the Pacific and Atlantic oceans. Geochim. Cosmochim. Acta, 49, 1943-1959.

26. DeBaar H.J.W., German C.R., Elderfield H., Van Gaans P. (1988) Rare earth element distributions in anoxic waters of the Cariaco Trench. Geochim. Cosmochim. Acta, 52, 1203-1219.

27. Dopieralska J. (2003) Neodymium isotopic composition of conodonts as a palaeoceanographic proxy in the Variscan oceanic system Ph. D. Thesis, Justus-Liebig-University. Giessen, 111 p. URL: http://geb.unigiessen.de/geb/volltexte/2003/1168

28. Dopieralska J., Belka Z., Haack U. (2006) Geochemical decoupling of water masses in the Variscan oceanic system during Late Devonian times. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 240, 108-119.

29. Dopieralska J., Belka Z., Walczak A. (2016) Nd isotope composition of conodonts: An accurate proxy of sea-level fluctuations. Gondw. Res., 34, 284-295.

30. Elderfield H., Pagett R. (1986) Rare earth elements in ichthyoliths: variations with redox conditions and depositional environment. Sci. Total Environ., 49, 175-197.

31. Fadel A., Zigaite Z., Blom H., Pйrez-Huerta A., Jeffries T., Mдrsse T., Ahlberg P.E. (2015) Palaeoenvironmental signatures revealed from rare earth element (REE) compositions of vertebrate microremains of the Vesiku Bone Bed (Homerian, Wenlock), Saaremaa Island, Estonia. Estonian J. Earth Sci., 64(1), 36-41.

32. Felitsyn S., Sturesson U., Popov L., Holmer L. (1998) Nd isotope composition and rare earth elements in Early Palaeozoic biogenic apatite from Baltoscandia: A signature of Iapetus ocean water. Geology, 26, 1083-1086.

33. German C.R., Elderfield H. (1990) Application of the cerium anomaly as a paleoredox indicator: the ground rules. Paleoceanography, 5, 823-833.

34. German C.R., Holliday B.P., Elderfield H. (1991) Redox cycling of rare earth elements in the suboxic zone of the Black Sea. Geochim. Cosmochim. Acta, 55, 3553-3558.

35. German C.R., Masuzawa T., Greaves M.J., Elderfield H., Edmond J.M. (1995) Dissolved rare earth elements in the Southern Ocean: cerium oxidation and the influence of hydrography. Geochim. Cosmochim. Acta, 59, 1551-1558.

36. Girard C., Lйcuyer C. (2002) Variations in Ce anomalies of conodonts through the Frasnian/Famennian boundary of Poland (Kowala Holy Cross Mountains): implications for the redox state of seawater and biodiversity. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 181, 299-311.

37. Grandjean P., Cappetta H., Michard A., Albarede F. (1987) The assessment of REE patterns and 143Nd/144Nd ratios in fish remains. Earth Planet. Sci. Lett., 84, 181-196.

38. Grandjean-Lйcuyer P., Feist R., Albarede F. (1993) Rare earth elements in old biogenic apatites. Geochim. Cosmochim. Acta, 57, 2507-2514.

39. Haley B.A., Klinkhammer G.P., McManus J. (2004) Rare earth elements in pore water of marine sediments. Geochim. Cosmochim. Acta, 68, 1265-1279.

40. Herwartz D., Mьnker C., Tьtken T., Hoffmann J.E., Wittke A., Barbier B. (2013) Lu-Hf isotope systematics of fossil biogenic apatite and their effects on geochronology. Geochim. Cosmochim. Acta, 101, 328-343.

41. Herwartz D., Tьtken T., Mьnker C., Jochum K.P., Stoll B., Sander P.M. (2011) Timescales and mechanisms of REE and Hf uptake in fossil bones. Geochim. Cosmochim. Acta, 75, 82-105.

42. Holmden C., Creaser R.A., Muehlenbachs K., Bergstrцm S.M., Leslie S.A. (1996) Isotopic and elemental systematics of Sr and Nd in 454 Ma biogenic apatites: implications for paleoseawater studies. Earth Planet. Sci. Lett., 142, 425-437.

43. Kamber B.S., Webb G.E. (2001) The geochemistry of late Archaean microbial carbonate: implications for ocean chemistry and continental erosion history. Geochim. Cosmochim. Acta, 65, 2509-2525.

44. Kocsis L., Trueman C.N., Palmer M.R. (2010) Protracted diagenetic alteration of REE contents in fossil bioapatites: direct evidence from Lu-Hf isotope systematics. Geochim. Cosmochim. Acta, 74, 6077-6092.

45. Kowal-Linka M., Jochum K.P., Surmik D. (2014) LA-ICP-MS analysis of rare earth elements in marine reptile bones from the Middle Triassic bonebed (Upper Silesia, S Poland): Impact of long-lasting diagenesis, and factors controlling the uptake. Chem. Geol., 363, 213-228.

46. Lйcuyer C., Grandjean P., Barrat J.A., Nolvak J., Emig C., Paris F., Robardet M. (1998) δ18O and REE contents of phosphatic brachiopods: a comparison between modern and Lower Paleozoic populations. Geochim. Cosmochim. Acta, 62, 2429-2436.

47. Lйcuyer C., Reynard B., Grandjean P. (2004) Rare earth element evolution of Phanerozoic seawater recorded in biogenic apatites. Chem. Geol., 204, 63-102.

48. Li Y., Zhao L., Chen Z.-Q., Algeo T.J., Cao L., Wang X. (2017) Oceanic environmental changes on a shallow carbonate platform (Yangou, Jiangxi Province, South China) during the Permian-Triassic transition: Evidence from rare earth elements in conodont bioapatite. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 486, 6-16.

49. Liu Y.-G., Miah M.R.U., Schmitt R.A. (1988) Cerium: a chemical tracer for paleo-oceanic redox conditions. Geochim. Cosmochim. Acta, 52, 1361-1371.

50. MacLeod K.G., Irving A.J. (1996) Correlation of cerium anomalies with indicators of paleoenvironment. J. Sed. Res., 65, 948-955.

51. Martin J.E., Patrick D., Kihm A.J., Foit F.F., Grandstaff D.E. (2005) Lithostratigraphy, tephrochronology, and rare earth element geochemistry of fossils at the classical Pleistocene Fossil Lake area, south central Oregon. J. Geol., 113, 139-155.

52. McLennan S.M. (2001) Relationships between the trace element composition of sedimentary rocks and upper continental crust. Geochem. Geophys. Geosyst., 2, 2000GC000109.

53. Nozaki Y. (2001) Rare earth elements and their isotopes. Encyclop. Ocean Sci., 4, 2354-2366.

54. Nozaki Y., Zhang J., Amakawa H. (1997) The fractionation between Y and Ho in the marine environment. Earth Planet. Sci. Lett., 148, 329-340.

55. Pattan J.N., Pearce N.J.G., Mislankar P.G. (2005) Constraints in using Cerium-anomaly of bulk sediments as an indicator of paleo bottom water redox environment: a case study from the Central Indian Ocean Basin. Chem. Geol., 221, 260-278.

56. Pin C., Santos Zalduegui J.F. (1997) Sequential separation of light rare-earth elements, thorium and uranium by miniaturized extraction chromatography: Application to isotopic analyses of silicate rocks. Anal. Chim. Acta, 339, 79-89.

57. Reynard B., Lйcuyer C., Grandjean P. (1999) Crystal-chemical controls on rare earth element concentrations in fossil biogenic apatites and implications for paleoenvironmental reconstructions. Chem. Geol., 155, 233-241.

58. Rudnick R.L., Gao S. (2003) The Composition of the Continental Crust. Treatise on Geochemistry. V. 3 (Eds H.D. Holland, K.K. Turekian). Oxford, Elsevier-Pergamon, 1-64.

59. Scher H.D., Martin E.E. (2004) Circulation in the Southern Ocean during the Paleogene inferred from neodymium isotopes. Earth Planet. Sci. Lett., 228, 392-405

60. Schulte C.C. (2015) Rare Earth Element Patterns in Conodont Apatite from the Upper Ordovician: Testing Enrichment Sources and Possible Oceanographic Changes. LSU Master's Theses. No. 429, 132 p.

61. Shields G., Webb G.E. (2004) Has the REE composition of seawater changed over geological time? Chem. Geol., 204, 103-107.

62. Sholkovitz E.R., Schneider D.L. (1991) Cerium redox cycles and rare earth elements in the Sargasso Sea. Geochim. Cosmochim. Acta, 55, 2737-2743.

63. Song H.J., Wignall P.B., Tong J.N., Bond D.P.G., Song H.Y., Lai X.L., Zhang K.X., Wang H.M., Chen Y.L. (2012) Geochemical evidence from bio-apatite for multiple oceanic anoxic events during Permian-Triassic transition and the link with end-Permian extinction and recovery. Earth Planet. Sci. Lett., 353-354, 12-21.

64. Thomas D.J., Bralower T.J., Jones C.E. (2003) Neodymium isotopic reconstruction of Late Paleocene-Early Eocene thermohaline circulation. Earth Planet. Sci. Lett., 209, 309-322.

65. Trotter J.A., Eggins S.M. (2006) Chemical systematics of conodont apatite determined by laser ablation ICP MS. Chem. Geol., 233, 196-216.

66. Trotter J.A., Gerald J.D.F., Kokkonen H., Barnes C.R. (2007) New insights into the ultrastructure, permeability, and integrity of conodont apatite determined by transmission electron microscopy. Lethaia, 40, 97-110.

67. Webb G.E., Kamber B.S. (2000) Rare earth elements in Holocene reefal microbialites: a new shallow seawater proxy. Geochim. Cosmochim. Acta, 64, 1557-1565.

68. Wright C.A., Barnes C.R., Jacobsen S.B. (2002) Neodymium isotopic composition of Ordovician conodonts as a seawater proxy: Testing paleogeography. Geochem. Geophys. Geosyst., 3(2), 2001GC000195, 17 p.

69. Wright J., Schrader H., Holser W.T. (1987) Paleoredox variations in ancient oceans recorded by rare earth elements in fossil apatite. Geochim. Cosmochim. Acta, 51, 631-644.

70. Wright J., Seymour R.S., Shaw H.F. (1984) REE and Nd isotopes in conodont apatite: variations with geological age and depositional environment. Conodont Biofacies and Provincialism. Ed. by Clark D.L. Geol. Soc. Am. Spec. Pap., 196, 325-340.

71. Wright J., Schrader H., Holser W.T. (1987b) Paleoredox variations in ancient oceans recorded by rare earth elements in fossil apatite. Geochim. Cosmochim. Acta., 51, 631-644.

72. Zhang L., Algeo T.J., Cao L., Zhao L., Chen Z.-Q., Li Z. (2016) Diagenetic uptake of rare earth elements by conodont apatite. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 458, 176-197.

73. Zhang J., Amakawa H., Nozaki Y. (1994) The comparative behaviors of yttrium and lanthanides in the seawater of the North Pacific. Geophys. Res. Lett., 21, 2677-2680.

74. Zhao L., Chen Z.Q., Algeo T.J., Chen J., Chen Y., Tong J., Gao S., Zhou L., Hu Z., Liu Y. (2013) Rare-earth element patterns in conodont albid crowns: Evidence for massive inputs of volcanic ash during the latest Permian biocrisis? Global Planet Change, 105, 135-151.

75. Ziegler W., Sandberg C.F. (1990) The Late Devonian Standart Conodont Zonation. Cour. Forsch. Inst. Senckenberg. 121, 1-115.