Укская свита верхнего рифея Южного Урала: седиментология и геохимия (первые результаты исследований)

.

Объект исследования. В статье приведены новые данные о карбонатных фациях верхней подсвиты укской свиты верхнего рифея Южного Урала, а также особенностях распределения редкоземельных элементов (РЗЭ) и Y в строматолитовых, обломочных и карбонатно-глинистых породах (валовые пробы и уксуснокислотные вытяжки из них). Впервые обсуждаются особенности состава битумоидов и биомаркеров укской свиты.

Материал и методы. Изучены литологические особенности известняков непосредственно в разрезе и по серии шлифов. Содержания малых элементов в породах определены методом ICP-MS в ИГГ УрО РАН (г. Екатеринбург), а состав органического вещества – в ИНГГ СО РАН (г. Новосибирск) методами газо-жидкостной хроматографии и хроматомасс-спектрометрии.

Результаты. Показано, что в наиболее представительном разрезе верхнеукской подсвиты на восточной окраине г. Усть-Катав можно выделить несколько различающихся по литологии и по мощности толщ/пачек: 1) существенно биогермную, представленную преимущественно крупными органогенными постройками, разделенными межбиогермными фациями (обломочные известняки, биоламиниты и др.); 2) переходную, характеризующуюся частым чередованием органогенных построек и других типов карбонатных пород; 3) зернистых известняков, чередующихся с прослоями микрозернистых известняков. Выше указанных толщ в разрезе вновь наблюдаются строматолитовые биогермы. Присутствие “molar tooth” текстур в карбонатных породах укской свиты дает основание считать, что данная литостратиграфическая единица типового разреза рифея имеет, скорее всего, докриогениевый возраст.

Выводы. Установлено, что распределение РЗЭ и Y в относительно чистых от силикокластической примеси валовых пробах известняков и уксусно-кислотных вытяжках из них сопоставимо. Нормированные по PAAS спектры распределения РЗЭ + Y характеризуются положительными аномалиями La, Gd и Y и отрицательными аномалиями Eu и Ce. Последние позволяют предполагать, что накопление строматолитсодержащих известняков верхнеукской подсвиты происходило в морском бассейне. Показано, что карбонатные и карбонатно-глинистые породы обеднены органическим веществом. Его источником были два сообщества, в состав которых входили эукариоты и прокариоты, обитавшие в условиях нормальной аэрации и, возможно, пониженной солености вод морского бассейна. 

Южный Урал, верхний рифей, укская свита, карбонатные породы, седиментология, литология, геохимия, битумоиды, биомаркеры

1. Беккер Ю.Р. (1958) О стратиграфическом положении укских отложений на Южном Урале. Докл. АН СССР, 122(5), 879-882.

2. Беккер Ю.Р. (1961) Возраст и последовательность напластования отложений верхней части каратауской серии Южного Урала. Изв. АН СССР. Сер. геол., (9), 49-60.

3. Вассоевич Н.Б. (1973) Основные закономерности, характеризующие органическое вещество современных и ископаемых осадков. Природа органического вещества современных и ископаемых осадков. М.: Наука, 11-59.

4. Гражданкин Д.В., Маслов А.В. (2015) Место венда в международной стратиграфической шкале. Геология и геофизика, 56(4), 703-717.

5. Горожанин В.М. (1995) Rb-Sr метод в решении проблем геологии Южного Урала. Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 23 с.

6. Домрачев С.М. (1952) Девон хр. Каратау и прилегающих районов Южного Урала. Девон Западного Приуралья. Л.; М.: Гостоптехиздат, Ленингр. отд-ние, 5-121.

7. Зайцева Т.С., Горохов И.М., Ивановская Т.А., Семихатов М.А., Кузнецов А.Б., Мельников Н.Н., Аракелянц М.М., Яковлева О.В. (2008) Мессбауэровские характеристики, минералогия и изотопный возраст (Rb-Sr, K-Ar) верхнерифейских глауконитов укской свиты Южного Урала. Стратиграфия. Геол. корреляция, 16(3), 3-25.

8. Зайцева Т.С., Горохов И.М., Кузнецов А.Б., Константинова Г.В., Турченко Т.Л., Мельников Н.Н. (2012) RbSr изотопная систематика глинистых минералов из осадочных пород венда Южного Урала. Ленинградская школа литологии. Т. II. СПб: СПбГУ, 57-59.

9. Козлов В.И. (1973) К вопросу о строении укских и ашинских отложений верхнего протерозоя Южного Урала. Изв. АН СССР. Сер. геол., (7), 112-123. Козлов В.И. (1982) Верхний рифей и венд Южного Урала. М.: Наука, 128 с.

10. Конторович А.Э. (1976) Геохимические методы количественного прогноза нефтегазоносности. М.: Недра, 250 с.

11. Крылов И.Н. (1963) Столбчатые ветвящиеся строматолиты рифейских отложений Южного Урала и их значение для стратиграфии верхнего докембрия. М.: Наука, 243 с.

12. Крылов И.Н. (1967) Рифейские и нижнекембрийские строматолиты Тянь-Шаня и Каратау. М.: Наука, 78 с.

13. Крылов И.Н. (1975) Строматолиты рифея и фанерозоя СССР. М.: Наука, 243 с.

14. Кузнецов А.Б. (2013) Эволюция изотопного состава стронция в протерозойском океане. Автореф. дис. … докт. геол.-мин. наук. СПб: ИГГД РАН, 43 с.

15. Кузнецов А.Б., Семихатов М.А., Горохов И.М., Мельников Н.Н., Константинова Г.В., Кутявин Э.П. (2003) Изотопный состав Sr в карбонатных породах каратавской серии Южного Урала и стандартная кривая вариаций отношения 87Sr/86Sr в позднерифейском океане. Стратиграфия. Геол. корреляция, 11(5), 3-39.

16. Кузнецов А.Б., Семихатов М.А., Маслов А.В., Горохов И.М., Прасолов Э.М., Крупенин М.Т., Кислова И.В. (2006) Srи С-изотопная хемостратиграфия типового разреза верхнего рифея (Южный Урал): новые данные. Стратиграфия. Геол. корреляция, 14(6), 25-53.

17. Кузнецов В.Г. (2005) Molar tooth structure – своеобразная текстура рифейских карбонатных пород. Литосфера, (4), 136-150.

18. Маслов А.В. (2004) Molar-tooth текстуры: эволюция взглядов на генезис. Карбонатные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седиментои литогенез, минерагения. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 98-101.

19. Маслов А.В., Меерт Дж., Левашова Н.М., Ронкин Ю.Л., Гражданкин Д.В., Кузнецов Н.Б., Крупенин М.Т., Федорова Н.М., Ипатьева И.С. (2013) Новые данные о возрасте ледниковых отложений венда Среднего Урала. Докл. АН, 449(3), 322-327.

20. Овчинникова Г.В., Васильева И.М., Семихатов М.А. (2000) Возможности Pb-Pb датирования карбонатных пород с открытыми U-Pb системами: миньярская свита стратотипа верхнего рифея, Южный Урал. Стратиграфия. Геол. корреляция, 8(6), 3-19.

21. Овчинникова Г.В., Васильева И.М., Семихатов М.А. Кузнецов А.Б., Горохов И.М., Гороховский Б.М., Левский Л.К. (1998) U-Pb систематика протерозойских карбонатных пород: инзерская свита уральского стратотипа рифея (Южный Урал). Стратиграфия. Геол. корреляция, 6(4), 20-31.

22. Парфенова Т.М., Коровников И.В., Эдер В.Г., Меленевский В.Н. (2017) Органическая геохимия синской свиты нижнего кембрия (северный склон Алданской антеклизы). Геология и геофизика, (5), 723-738.

23. Петров А.А. (1984) Углеводороды нефти. М.: Наука, 264 с.

24. Петров П.Ю. (2016) Molar tooth structures и происхождение пелоидов протерозойских карбонатных платформ (средний рифей Туруханского поднятия Сибири). Литология и полез. ископаемые, (4), 336-358.

25. Путеводитель геологической экскурсии по разрезам палеозоя и верхнего докембрия западного склона Южного Урала и Приуралья (1995) Уфа: ИГ УНЦ РАН, 176 с.

26. Раабен М.Е., Забродин В.Е. (1972) Водорослевая проблематика верхнего рифея (строматолиты, онколиты). М.: Наука, 130 с. С

27. емихатов М.А., Кузнецов А.Б., Чумаков Н.М. (2015) Изотопный возраст границ общих стратиграфических подразделений верхнего протерозоя (рифея и венда) России: эволюция взглядов и современная оценка. Стратиграфия. Геол. корреляция, 23(6), 16-27.

28. Стратотип рифея. Палеонтология. Палеомагнетизм (1982) (Отв. ред. Б.М. Келлер, Н.М. Чумаков). М.: Наука, 176 с.

29. Стратотип рифея. Стратиграфия. Геохронология (1983) (Отв. ред. Б.М. Келлер, Н.М. Чумаков). М.: Наука, 184 с.

30. Alexander B.W., Bau M., Andersson P., Dulski P. (2008) Continentally-derived solutes in shallow Archean seawater: rare earth element and Nd isotope evidence in iron formation from the 2.9 Ga Pongola Supergroup, South Africa. Geochim. Cosmochim. Acta, 72, 378-394.

31. Anderson K. D., Beauchamp B. (2014) Paleobiology and paleoecology of Palaeoaplysina and Eopalaeoaplysina new genus in Arctic Canada. J. Paleontol., 88(5), 1056-1071.

32. Bartley J.K., Kah L.C. (2004) Marine carbon reservoir, Corg–Ccarb coupling, and the Proterozoic carbon isotope record. Geology, 32, 129-132.

33. Bau M., Dulski P. (1996) Distribution of yttrium and rareearth elements in the Penge and Kuruman iron-formations, Transvaal Supergroup, South Africa. Prec. Res., 79(1-2), 37-55.

34. Bau M., Moller P. (1993) Rare earth element systematics of the chemically precipitated component in Early Precambrian iron formations and the evolution of the terrestrial atmosphere–hydrosphere–lithosphere system. Geochim. Cosmochim. Acta, 57, 2239-2249.

35. Bishop J.W., Sumner D.Y. (2006) Molar tooth structures of the Neoarchean Monteville Formation, Transvaal Supergroup, South Africa. I: Constraints on microcrystalline CaCO3 precipitation. Sedimentology, 53, 1049-1068.

36. Bolhar R., Kamber B.S., Moorbath S., Fedo C.M., Whitehouse M.J. (2004) Characterisation of Early Archaean chemical sediments by trace element signatures. Earth Planet. Sci. Lett., 222(1), 43-60.

37. Bolhar R., Van Kranendonk M.J. (2007) A non-marine depositional setting for the northern Fortescue Group, Pilbara Craton, inferred from trace element geochemistry of stromatolitic carbonates. Prec. Res., 155, 229-250.

38. Botting J.P., Muir L.A. (2017) Early sponge evolution: A review and phylogenetic framework. Palaeoworld, 27(1), 1-29.

39. Brocks J.J., Jarret A.J.M., Sirantoine E., Kenig F., Moczydlowska M., Porter S., Hope J. (2016) Early sponges and toxic protists: possible sources of cryostane, an age diagnostic biomarker antedating Sturtian Snowball Earth. Geobiology, 14, 129-149.

40. Burgsdorf I., Slaby B.M., Handley K.M., Haber M., Blom J., Marshal C.W., Gilbert J.A., Hentschel U., Steindler L. (2015) Lifestyle evolution in cyanobacterial symbionts of sponges. MBio, 6(3):e00391-15. doi:10.1128/ mBio.00391-15.

41. Chen Y.J., Zhao Y.C. (1997) Geochemical characteristics and evolution of REE in the Early Precambrian sediments: evidences from the southern margin of the North China Craton. Episodes, 20, 109-116.

42. Clark J.P. Philp R.P. (1989) Geochemical characterization of evaporite and carbonate depositional environments and correlation of associated crude oils in the Black Creek Basin, Alberta. Can. Petrol. Geol. Bull., 37, 401-416.

43. Davies G.R., Nassichuk W.W. (1973) The Hydrozoan? Palaeoaplysina from the Upper Paleozoic of Ellesmere Island, Arctic Canada. J. Paleontol., 47(2), 251-265.

44. De Baar H.J.W., Bacon M.P., Brewer P.G. (1985) Rare earth elements in the Pacific and Atlantic Oceans. Geochim. Cosmochim. Acta, 49, 1943-1959.

45. Dragastan O., Kube B., Richter D.K. (1999) New Late Triassic calcareous algae from Hydra, Greece. Acta Palaeontol. Rom., 2, 139-156.

46. Elderfield H. (1988) The oceanic chemistry of the rare-earth elements. Phil. Trans. Royal Soc. London, A325, 105-126.

47. Frei R., Dahl P.S., Duke E.F., Frei K.M., Hansen T.R., Frandsson M.M., Jensen L.A. (2008) Trace element and isotopic characterization of Neoarchean and Paleoproterozoic iron formations in the Black Hills (South Dakota, USA): assessment of chemical change during 2.9–1.9 Ga deposition bracketing the 2.4–2.2 Ga first rise of atmospheric oxygen. Prec. Res. 162, 441-474.

48. Frimmel H.E. (2009) Trace element distribution in Neoproterozoic carbonates as palaeoenvironmental indicator. Chem. Geol., 258, 338-353.

49. Ge L., Jiang S.-Y., Swennen R., Yang T., Yang J.-H., Wu N.-Y., Liu J., Chen D.-H. (2010) Chemical environment of cold seep carbonate formation on the northern continental slope of South China Sea: evidence from trace and rare earth element geochemistry. Mar. Geol., 277, 21-30.

50. Gold D.A., Grabenstatter J., Mendoza A., Riesgo A., RuizTrillo I., Summons R.E. (2016) Sterol and genomic analyses validate the sponge biomarker hypothesis. PNAS, 113(10), 2684-2689.

51. Grotzinger J.P., James N.P. (2000) Precambrian carbonates: evolution of understanding.Carbonate Sedimentation and Diagenesis in the Evolving Precambrian World. SEPM Spec. Publ., 67. Tulsa: SEPM, 3-20.

52. Hill D. (1981) Rugosa and Tabulata. Treatise on Invertebrate Paleontology, Pt F. Teichert C. (Ed.). 762 p.

53. James N.P., Narbonne G.M., Sherman A.G. (1998) Molartooth carbonates: Shallow subtidal facies of the Midto Late Proterozoic. J. Sed. Res., 68, 716-722.

54. 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.

55. Kuang H-W., Hu X.-F. (2014) Review of molar tooth structure research. J. Palaeogeography, 3, 359-383.

56. Kuznetsov A.B., Bekker A., Ovchinnikova G.V., Gorokhov I.M., Vasilyeva I.M. (2017) Unradiogenic strontium and moderate-amplitude carbon isotope variations in early Tonian seawater after the assembly of Rodinia and before the Bitter Springs Excursion. Prec. Res. 298, 157-173.

57. Lee J.H., Byrne R.H. (1992) Complexation of trivalent rare earth elements (Ce, Eu, Gd, Tb, Yb) by carbonate ions. Geochim. Cosmochim. Acta, 57, 295-302.

58. Levashova N.M., Bazhenov M.L., Meert J.G., Kuznetsov N.B., Golovanova I.V., Danukalov K.N., Fedorova N.M. (2013) Paleogeography of Baltica in the Ediacaran: Paleomagnetic and geochronological data from the clastic Zigan Formation, South Urals. Prec. Res., 236, 16-30.

59. Love G.D., Grosjean E., Stalvies C., Fike D.A., Grotzinger J.P., Bradley A.S., Kelly A.E., Bhatia M., Meredith W., Snape C.E., Bowring S.A., Condon D.J., Summons R.E. (2009) Fossil steroids record the appearance of Demospongiae during the Cryogenian period. Nature, 457(7230), 718-721.

60. Luo C., Reitner J. (2014) First report of fossil “keratose” demosponges in Phanerozoic carbonates: preservation and 3-D reconstruction. Naturwissenschaften, 101, 467-477

61. Luo C., Reitner J. (2015) “Stromatolites” built by sponges and microbes – a new type of Phanerozoic bioconstruction. Lethaia, 49(4), 555-570.

62. McCaffrey M.A., Moldowan J.M., Lipton P.A., Summons R.E., Peters K.E., Jeganathan A., Watt D.S. (1994) Paleoenvironmental implications of novel C30 steranes in Precambrian to Cenozoic age petroleum and bitumen. Geochim. Cosmochim. Acta, 58, 529-532.

63. Moller P., Bau M. (1993) Rare-earth patterns with positive cerium anomaly in alkaline waters from Lake Van, Turkey. Earth Planet. Sci. Lett., 117(3-4), 671-676

64. . Nosenko T., Schreiber F., Adamska M., Adamski M., Eitel M., Hammel J., Maldonado M., Muller W.E.G., Nickel M., Schierwater B., Vacelet J., Wiens M., Worheide G. (2013) Deep metazoan phylogeny: When different genes tell different stories. Molecular Phylogenetics and Evolution, 67, 223-233.

65. Nothdurft L.D., Webb G.E., Kamber B.S. (2004) Rare earth element geochemistry of Late Devonian reefal carbonates, Canning Basin, Western Australia: confirmation of a seawater REE proxy in ancient limestones. Geochim. Cosmochim. Acta, 68, 263-283.

66. Nozaki Y., Zhang J., Amakawa H. (1997) The fractionation between Y and Ho in the marine environment. Earth Planet. Sci. Lett., 148(1–2), 329-340.

67. Parekh P.P., Moller P., Dulski P., Bausch W.M. (1977) Distribution of trace elements between carbonate and noncarbonate phases of limestone. Earth Planet. Sci. Lett., 34, 39-50.

68. Pawlowska M.M., Butterfild N.J., Brocks J.J. (2012) Lipid taphonomy in the Proterozoic and the effect of microbial mats on biomarker preservation. Geology, 41(2), 103-106.

69. Peters K.E., Moldowan J.M. (1993) The biomarker Guide: Interpreting molecular fossils in petroleum and ancient sediments. New Jersey: Prentis Hall, Englewood Cliffs, 363 с.

70. ollock M.D., Kah L.C., Bartley J.K. (2006) Morphology of molar-tooth structures in Precambrian carbonates: Influence of substrate rheology and implications for genesis. J. Sed. Res., 76, 310-323.

71. Riding R. (2004) Solenopora is a chaetetid sponge, not an alga. Palaeontology, 47(1), 117-122. S

72. haw H.F., Wasserburg G.J. (1985) Sm-Nd in marine carbonates and phosphates: Implications for Nd isotopes in seawater and crustal ages. Geochim. Cosmochim. Acta, 49, 503-518.

73. Shields G.A. (2002) ”Molar-tooth microspar”: a chemical explanation for its disappearance ~750 Ma. Terra Nova, 14(2), 108-113.

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

75. Shields-Zhou G.A., Hill A.C., Macgabhann B.A. (2012) The Cryogenian Period. A Concise Geologic Time Scale (J.G. Ogg, G.M. Ogg, F.M. Gradstein Eds). Amsterdam: Elsevier, 393-411.

76. Sholkovitz E.R., Landing W.M., Lewis B.L. (1994) Ocean particle chemistry – the fractionation of rare-earth elements between suspended particles and seawater. Geochim. Cosmochim. Acta, 58(6), 1567-1579.

77. Sinninghe Damsté J.S., van Duin A.C.T., Hollander D., Kohnen M.E.L., de Leeuw J.W. (1995) Early diagenesis of bacteriohopanepolyol derives: Formation of fossil homohopanoids. Geochim. Cosmochim. Acta, 59, 5141-5147.

78. Smith A.G. (2016) A review of molar-tooth structures with some speculations on their origin. Belt Basin: Window to Mesoproterozoic Earth (MacLean J.S., Sears J.W. (Eds). Geol. Soc. Am. Spec. Paper 522, 71-99.

79. Tang H.-S., Chen Y.-J., Santosh M., Zhong H., Yang T. (2013) REE geochemistry of carbonates from the Guanmenshan Formation, Liaohe Group, NE Sino-Korean Craton: Implications for seawater compositional change during the Great Oxidation Event. Prec. Res., 227, 316-336.

80. Taylor M.W., Radax R., Steger D., Wagner M. (2007) Sponge-associated microorganisms: evolution, ecology, and biotechnological potential. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 71, 295-347.

81. Taylor S.R., McLennan S.M. (1985) The Continental Crust: Its Composition and Evolution. Oxford: Blackwell, 312 p.

82. Terakado Y., Masuda A. (1988) The coprecipitation of rareearth elements with calcite and aragonite. Chem. Geol., 69, 103-110.

83. Van Kranendonk M.J., Webb G.E., Kamber B.S. (2003) New geological and trace element evidence from 3.45 Ga stromatolitic carbonates in the Pilbara Craton: support of a marine, biogenic origin and for a reducing Archaean ocean. Geobiology, 1, 91-108.

84. 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.

85. Wilkinson C.R. (1979) Nutrient translocation from symbiotic cyanobacteria to coral reef sponges. Biologie des Spongiarires, 291. Lévi C., Boury-Esnault N. (Eds). Colloques du Centre National Recherche Scientifique, Paris, 373-380.

86. 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.

87. Zhong S., Mucci A. (1995) Partitioning of rare earth elements (REEs) between calcite and seawater solutions at 25°C and 1 atm, and high dissolved REE concentrations. Geochim. Cosmochim. Acta, 59, 443-453.