Особенности распределения изотопного состава углерода в карбонатах разреза сартъюской свиты (нижний карбон, Воркутинское поднятие)

Объект исследования. Изотопный состав углерода и кислорода карбонатов породы и раковин брахиопод в разрезе верхней части сартъюской свиты (нижний карбон, Воркутинское поднятие).

Цель. Сравнительная оценка сохранности материала и вариаций изотопного состава углерода и кислорода в раковинах брахиопод и вмещающей породе на примере в значительной степени вторично преобразованных отложений.

Материал и методы. Стратиграфическую основу составили данные по фораминиферам, конодонтам и брахиоподам. Изотопный анализ углерода и кислорода карбонатов раковин брахиопод и вмещающей породы проведен для 76 образцов из 35 уровней в пределах верхней части серпуховского яруса. При оценке пригодности карбонатных компонентов для реконструкции исходного изотопного состава древней морской воды использованы данные о перекристаллизации карбонатов, содержание органического углерода, соотношение изотопного состава углерода и кислорода, катодолюминесценция, таксономическая принадлежность брахиопод.

Результаты. Изучение изотопного состава углерода показало существенные различия изотопных составов раковин брахиопод и вмещающей породы. Нижняя часть разреза (около 4.3 м) характеризуется утяжелением изотопного состава углерода раковинного материала от 2 до 4.1‰. Выше по разрезу (следующие 2.5 м) происходит резкое увеличение значений δ13С до 7.3‰ (образец с Davidsonina carbonaria), затем снижение до 3.4‰ и, наконец, наблюдается разброс значений δ13С от 1.2 до 6‰ в прикровельной части. При этом изотопный состав углерода известняков довольно однороден по всему разрезу (δ13С от –0.2 до 2.6‰, среднее значение 1.0‰), демонстрируя в то же время незначительный негативный тренд в верхней части. Предполагается, что изотопный состав углерода изученных образцов известняков сильно изменен вторичными процессами. Карбонат раковин брахиопод, предположительно, обладает изотопным составом углерода, близким к равновесному с бикарбонатом морской воды палеобассейна. Однако у представителей рода Davidsonina отмечено значительное (на 4–6‰) утяжеление изотопного состава углерода относительно других таксонов. Средние значения δ18O известняков составляют 21.3‰ SMOW (отвечает –9.3‰ PDB), а раковин брахиопод – 22.2‰ (отвечает –8.4‰ PDB), что исключает первичную природу изотопного состава кислорода.

Выводы. Изученный материал показал хорошую сохранность изотопного состава углерода в раковинах брахиопод даже в случае существенной перекристаллизации вмещающих карбонатов. Утяжеление изотопного состава углерода в раковинном материале представителей рода Davidsonina объясняется возможным “жизненным эффектом”, что затрудняет использование изотопных данных, полученных по раковинам этих брахиопод, для изотопной стратиграфии. В целях корректной изотопно-стратиграфической интерпретации вариаций изотопного состава углерода в разрезах необходимо изучение таксономически однородных выборок в рамках как минимум одного рода.

1. Богуш О.И., Иванова Р.М., Лучинина В.А. (1990) Известковые водоросли верхнего фамена и нижнего карбона Урала и Сибири. Новосибирск: Наука, сиб. отд., 160 с.

2. Виноградов В.И. (2005) Отражение глобальных изменений природной среды в изотопных характеристиках осадочных пород. Биосфера–экосистема–биота в прошлом Земли: палеобиогеографические аспекты. К 100-летию со дня рождения академика В.В. Меннера. Тр. Геол. ин-та РАН, вып. 516, 433-466.

3. Груздев Д.А. (2021) Позднедевонско-раннекаменноугольные изолированные карбонатные платформы на севере Урала и Пай-Хоя. Вестн. геонаук, (10), 3-15.

4. Дмитриева Е.В., Ершова Г.И., Либрович В.Л., Некрасова В.И., Орешникова Е.И. (1968) Атлас текстур и структур осадочных горных пород. Ч. 2. Карбонатные породы. М.: Недра, 700 с.

5. Журавлев А.В. (2003) Конодонты верхнего девона – нижнего карбона северо-востока Европейской России. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 85 с.

6. Журавлев А.В. (2017) Оценка степени термального катагенеза палеозойских отложений севера ПайХойского паравтохтона по индексам окраски конодонтов. Литосфера, (1), 44–52.

7. Иванова Е.А. (1971) Введение в изучение спириферид. Тр. ПИН. Т. 126. М.: Наука, 105 с.

8. Иванова Е.А. (1975) Некоторые Spiriferinidina Подмосковного бассейна. Палеонтол. журн., (2), 79-88.

9. Иванова Р.М., Степанова Т.И. (2021) Альгофлора и микрофации нижнего карбона Урала и прилегающих территорий. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 264 с.

10. Калашников Н.В. (1963) О роде Davidsonina из карбона Северного Урала. Палеонтол. журн., (2), 43–53.

11. Калашников Н.В. (1974) Раннекаменноугольные брахиоподы Печорского Урала. Л.: Наука, 220 с.

12. Полетаев В.И. (2018) Атлас определитель каменноугольных спириферид Восточной Европы. Киев: Нац. Ак. наук Украины, Ин-т геол. наук, 408 с.

13. Стратиграфические схемы Урала (докембрий, палеозой). (1993) Межвед. Страт. Комитет России. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, Уралгеолком, 151 л.

14. Тимонин Н.И. (1998) Печорская плита: история геологического развития в фанерозое. Екатеринбург: УрО РАН, 238 с.

15. Шишкин М. А., Малых О.Н., Попов П.Е., Колесник Л.С. (2013) Государственная геологическая карта РФ м-ба 1:200 000 листа Q-41-V, VI (второе издание). М.: МФ ВСЕГЕИ, Мин-во природных ресурсов РФ, ЗАО “МИРЕКО”.

16. Эрлангер О.А. (1987) Микроструктура стенки раковины спириферид рода Davidsonina. Палеонтол. журн., (1), 124-128.

17. Юдин В.В. (1994) Орогенез Севера Урала и Пай-Хоя. Екатеринбург: УИФ “Наука”, 284 с.

18. Янишевский М.Э. (1926) Материалы к познанию палео- зойской фауны Новой Земли. Тр. Геол. и минерал. музея АН, 5(4), 73-116.

19. Al-Assam I., Veizer J. (1982) Chemical Stabilization of Low-Mg Calcite: An Example of Brachiopods. SEPM J. Sediment. Res., 52, 1101-1109.

20. Al-Husseini M., Ruebsam W. (2020) Ch. 2. Interpreting Phanerozoic δ13C patterns as periodic glacio-eustatic sequences. Stratigraphy and Timescales 5. Cambridge, Academic Press, 41-105. https://doi.org/10.1016/ bs.sats.2020.08.005

21. Angiolini L., Stephenson M., Leng M. J., Jadoul F., Millward D., Aldridge A., Andrews J., Chenery S., Williams G. (2011) Heterogeneity, cyclicity and diagenesis in a Mississippian brachiopod shell of palaeoequatorial Britain. Terra Nova, 24(1), 16-26.

22. Armendariz M., Rosales I., Quesada C. (2008) Oxygen isotope and Mg/Ca composition of Late Visean (Mississippian) brachiopod shells from SW Iberia: Palaeoclimatic and palaeogeographic implications in northern Gondwana. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 268(1-2), 65-79.

23. Barbin V. (2000) Cathodoluminescence of Carbonate Shells: Biochemical vs Diagenetic Process. Cathodoluminesc in Geosciences. Berlin, Heidelberg, Springer, 303-329. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04086-7_12

24. Barbin V., Gaspard D. (1995) Cathodoluminescence of recent articulate brachiopod shells. Implications for growth stages and diagenesis evaluation. Geobios, (18), 39-45.

25. Brand U. (1989) Biogeochemistry of Late Paleozoic North American brachiopods and secular variation of seawater composition. Biogeochemistry, 7(3), 159-193.

26. Brand U., Legrand-Blain M. (1993) Paleoecology and biogeochemistry of brachiopods from the Devonian –Carboniferous boundary interval of the Griotte Formation, La Serre, Montagne Noire, France. Ann. Soc. Geol. Belg., (115), 497-505.

27. Brand U., Jiang G., Azmy K., Bishop J., Montañez I.P. (2012) Diagenetic evaluation of a Pennsylvanian carbonate succession (Bird Spring Formation, Arrow Canyon, Nevada, U.S.A.) – 1: Brachiopod and whole rock comparison. Chem. Geol., 308-309, 26-39. https://doi. org/10.1016/j.chemgeo.2012.03.017

28. Brand U., Logan A., Bitner M., Griesshaber E., Azmy K., Buhl D. (2011) What is the ideal proxy of Paleozoic seawater chemistry? Memoirs Assoc. Australas. Palaeontol., (41), 9-24.

29. Buening N. (2001) Brachiopod Shells: Recorders of the Present and Keys to the Past. Paleontol. Soc. Pap., 7, 117-144. https://doi.org/10.1017/S1089332600000930

30. Carter J., Johnson J., Gourvennec R., Hong-fei H. (1994) A revised classification of the spiriferid brachiopods. Ann. Carnegie Museum, 63(4), 327-374.

31. Chen J., Montañez I.P., Qi Y., Wang X., Wang Q., Lin W. (2016) Coupled sedimentary and δ13C records of late Mississippian platform-to-slope successions from South China: Insight into δ13C chemostratigraphy. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 448, 162-178.

32. Czerniakowski L., Lohmann K., Wilson J. (1984) Closedsystem marine burial diagenesis: isotopic data from the Austin Chalk and its components. Sedimentology, 31(6), 863-877. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1984. tb00892.x

33. Garbelli C., Angiolini L., Brand U., Jadoul F. (2014) Brachiopod fabric, classes and biogeochemistry: implications for the reconstruction and interpretation of seawater carbon-isotope curves and records. Chem. Geol., 371, 60-67.

34. Grossman E.L., Mii H.S., Zhang C.L., Yancey T.E. (1996) Chemical variation in Pennsylvanian brachiopod shells Diagenetic, taxonomic, microstructural, and seasonal effects. J. Sediment. Res., 66(5) (Pt A), 1011-1022.

35. Grossman E.L., Zhang C., Yancey T.E. (1991) Stable-isotope stratigraphy of brachiopods from Pennsylvanian shales in Texas. Geol. Soc. Amer. Bull., 103, 953-965.

36. Gröcke D.R. (2020) Ch. 1. Carbon isotope stratigraphy: Principles and applications. Stratigraphy and Timescales 5. Cambridge, Academic Press, 1-40. https://doi. org/10.1016/bs.sats.2020.08.002

37. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. (2001) PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis. Palaeontologia Electronica, 4(1), 9. http:// palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm

38. Harris A.G., Sweet W.C. (1989) Mechanical and chemical techniques for separating microfossils from rock. Sediment and residue matrix. Paleotechniques (Eds R.M. Feldmann, R.E. Chapman, J.T. Hannibal). (Paleontol. Soc. Spec. Publ., 4, 70-86).

39. Hayes J.M., Strauss H., Kaufman A.J. (1999) The abundance of 13C in marine organic matter and isotopic fractionation in the global biogeochemical cycle of carbon during the past 800 Ma. Chem. Geol. 161, 103-125. https:// doi.org/10.1016/S0009-2541(99)00083-2

40. Huck S., Wohlwend S., Coimbra R., Christ N., Weissert H. (2017) Disentangling shallow water bulk carbonate carbon isotope archives with evidence for multi stage diagenesis: An in depth component specific petrographic and geochemical study from Oman (mid Cretaceous). Dep. Record, 3(2), 233-257. https://doi.org/10.1002/ dep2.35

41. Immenhauser A., Della Porta G., Kenter J.A.M., Bahamonde J.R. (2003) An alternative model for positive shifts in shallow marine carbonate δ13C and δ18O. Sedimentology, 50, 953-959. https://doi.org/10.1046/j.1365- 3091.2003.00590.x

42. Jenkins T.B.H., Crane D.T., Mory A.J. (1993) Conodont biostratigraphy of the Visean Series in eastern Australia. Alcheringa. Australas. J. Palaeontol., 17(3), 211-283. 10.1080/03115519308619605

43. Jones G.L. (1992) Irish Carboniferous conodonts record maturation levels and the influence of tectonisn, igneous activity and mineralization. Terra Nova, 4(4), 238-244.

44. Jope H.M. (1965) Composition of brachiopod shell. Treatise on Invertebrate Paleontology. Pt H, Brachiopoda. Geological Society of America & University of Kansas Press. New York & Lawrence. (1), 156-164.

45. Killingley J.S. (1983) Effects of diagenetic recrystallization on 18O/16O values of deep-sea sediments. Nature, 301(5901), 594-597. 10.1038/301594a0

46. Lee X., Wan G. (2000) No vital effect on δ18O and δ13C values of fossil brachiopod shells. Middle Devonian of China. Geochim. Cosmochim. Acta, 64(15), 2649-2664.

47. Lohmann K.C. (1988) Geochemical patterns of meteoric diagenetic systems and their application to studies of paleokarst. Paleokarst. Berlin, Springer, 58-80.

48. Lowenstam H.A. (1961) Mineralogy, 18O/16O ratios, and strontium and magnesium contents of recent and fos- sil brachiopods and their bearing on the history of the oceans. J. Geol., 69, 241-260.

49. McConnaughey T.A., Burdett J., Whelan J.F., Paull C.K. (1997) Carbon isotopes in biological carbonates: Respiration and photosynthesis. Geochim. Cosmochim. Acta, 61(3), 61l-622. Mii H., Grossman E. (1994) Late Pennsylvanian seasonality reflected in the 180 and elemental composition of a brachiopod shell. Geology, 22, 661-664.

50. Mii H., Grossman E.L., Yancey T.E. (1997) Stable carbon and oxygen isotope shifts in Permian seas of West Spitsbergen – global change or diagenetic artifacts. Geology, 25, 227-230.

51. Mii H., Grossman E.L., Yancey T.E. (1999) Carboniferous isotope stratigraphies of North America: Implications for Carboniferous paleoceanography and Mississippian glaciation. Geol. Soc. Amer. Bull., 111(7), 960-973. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1999)111%3C0960:CI SONA%3E2.3.CO;2

52. Mii H.S., Grossman E.L., Yancey T.E., Chuvashov B., Egorov A. (2001) Isotopic records of brachiopod shells from the Russian Platform evidence for the onset of mid Carboniferous glaciation. Chem. Geol., 175(1-2), 133-147.

53. Pagel M., Barbin V., Blanc P., Ohnenstetter D. (2000) Cathodoluminescence in Geosciences: An Introduction. Cathodoluminescence in Geosciences. Berlin, Heidelberg, Springer, 1-21. https://doi.org/10.1007/978-3-662- 04086-7_1

54. Popp B.N., Anderson T.F., Sandberg P.A. (1986) Brachiopods as indicators of original isotopic compositions in some Paleozoic limestones. GSA Bull., 97, 1262-1269.

55. Qie W., Zhang X.H., Du Y.S., Zhang Y. (2011) Lower Carboniferous carbon isotope stratigraphy in South China: Implications for the Late Paleozoic glaciation. Sci. China Earth Sci., 54, 84-92. https://doi.org/10.1007/s11430- 010-4062-4

56. Rush P.F., Chafetz H.S. (1990) Fabric-retentive, non-luminescent brachiopods as indicators of original δ13C and δ18O composition: A test. J. Sediment. Petrol., 60, 968-981.

57. Saltzman M.R. (2002) Carbon and oxygen isotope stratigraphy of the Lower Mississippian (Kinderhookian–lower Osagean), western United States: Implications for seawater chemistry and glaciation. Geol. Soc. Amer. Bull., 114, 96-108.

58. Saltzman M.R., Groessens E., Zhuravlev A. (2004) Carbon cycle models based on extreme changes in δ13C: An example from the Lower Mississippian. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 213, 359-377. https://doi. org/10.1016/S0031-0182(04)00389-X

59. Saltzman M.R., Thomas, E. (2012) Carbon isotope stratigraphy. Geol. Time Scale, 207-232. https://doi.org/10.1016/ B978-0-444-59425-9.00011-1

60. Samtleben C., Munnecke A., Bickert T., Pätzold J. (2001) Shell succession, assemblage and species dependent effects on C/O-isotopic composition of brachiopods–Examples from the Silurian of Gotland. Chem. Geol., 175, 61-107.

61. Scholle P.A., Arthur M.A. (1980) Carbon isotope fluctuations in Cretaceous pelagic limestones: Potential stratigraphic and petroleum exploration tool. Amer. Assoc. Petrol. Geol. Bull., 64, 67-87.

62. Tomašových A., Farkaš J. (2005) Cathodoluminescence of Late Triassic terebratulid brachiopods: implications for growth patterns. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 216(3-4), 215-233. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2004.11.010

63. Van Geldern R., Joachimski M.M., Day J., Jansen U., Alvarez F., Yolkin E.A., Ma X.P. (2006) Carbon, oxygen and strontium isotope records of Devonian brachiopod shell calcite. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 240(1-2), 47-67.

64. Veizer J., Ala D., Azmy K., Bruckschen P., Buhl D., Bruhn F., Carden G.A.F., Diener A., Ebneth S., Godderis Y., Jasper T., Korte C., Pawellek F., Podlaha O.G., Strauss H. (1999) Sr-87/Sr-86, delta C-13 and delta O-18 evolution of Phanerozoic seawater. Chem. Geol., 161(1-3), 59-88. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(99)00081-9

65. Wefer, G., Berger W.H. (1991) Isotope paleontology: growth and composition of extant calcareous species. Mar. Geol., 100, 207-248.

66. Zhuravlev A.V., Plotitsyn A.N., Gruzdev D.A., Smoleva I.V. (2020) Ch. 9. Carbon isotope stratigraphy of the Tournaisian (Lower Mississippian) successions of NE Europe. Carbon Isotope Stratigraphy. Stratigraphy and Timescales 5. Cambridge, Academic Press, 467-528.

67. Zhuravlev A.V., Vevel Y.A., Gruzdev D.A., Erofeevsky A.V. (2023) Late Mississippian (early Serpukhovian) carbon isotope record of northern Laurussia: A proposal for the Viséan/ Serpukhovian boundary. Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, 40(1), 35-43.