Сеноман-туронская граница в Центральном и Восточном Причерноморье (Юго-Западный Крым и Северо-Западный Кавказ): седиментологические, геохимические и палеогеографические аспекты

Актуальность. На рубеже сеноманского и туронского веков произошли существенные палеоклиматические и палеоокеанографические события общепланетарного масштаба (ОАЕ-2). Осадки этого времени, накапливавшиеся в различных обстановках от мелководных до глубоководных часто содержат следы седиментации в аноксидных условиях, представленные богатыми органикой черными прослоями различного литологического состава. В настоящее время эти прослои установлены в разрезах сеноман-туронских отложений на континентах и в скважинах глубоководного бурения. Накопление этих осадков имело глобальный характер, поэтому исследование литологических и биологических событий на рубеже сеномана и турона актуально для детальной стратиграфической корреляции. Эти отложения могут быть нефтематеринскими и реконструкция палеогеографических условий их накопления важна для поиска месторождений горючих полезных ископаемых.

Цель Целью настоящей работы является реконструкция палеогеографической обстановки на территории Юго-Западного Крыма и Северо-Западного Кавказа на рубеже сеноманского и туронского веков путем анализа седиментологических, геохимических, биотических и др. событий и их взаимосвязи.

Задачи 1. Комплексный седиментологический и геохимический анализы богатых органикой пограничных сеноман-туронских отложений изученных разрезов. 2. Сравнительный хроностратиграфический анализ литологических событий и реперных уровней рубежа сеномана-турона для изученных разрезов и их сравнение с глобальным стратоти-пом разреза Пуэбло (Колорадо). 3. Разработка седиментационной модели формирования битуминозных прослоев в палеогеографическом и палеотектоническом аспектах.

Научная новизна и практическая значимость. 1. Впервые приводится детальное седиментологическое описание рассматриваемых в работе разрезов (включая классификацию карбонатных пород Дж. Данхэма), дающее возможность на новом уровне подойти к реконструкции палеогеографических условий в бассейне седиментации. 2. Впервые определены скорости седиментации на уровне подпачек для 3-х разрезов ЮЗ Крыма. 3. Впервые для разрезов ЮЗ Крыма установлены и привязаны к шкале времени: литологические события и реперные уровни из стратотипического разреза Пуэбло (Колорадо), что дает возможность корреляции разрезов на уровне абсолютных геохронологических отметок. 4. Впервые приводятся результаты геохимического исследования образцов из пограничных сеноман-туронских отложений ЮЗ Крыма и СЗ Кавказа, включающих методы «мокрой химии» и атомно-эмиссионной спектроскопии с индукционно-связанной плазмой. 5. Впервые предложена новая палеогеографическая модель для бассейна СЗ Кавказа и уточнена — для ЮЗ Крыма на сеноман-туронском рубеже.

Фактический материал. Сбор фактического материала осуществлялся на протяжении 2003;2007 гг. Было отобрано порядка 100 образцов, собранных автором из разрезов ЮЗ Крыма и СЗ Кавказа. Автором выполнено описание четырех разрезов ЮЗ Крыма, а также использованы данные по 4-ам разрезам СЗ Кавказа, предоставленные сотрудниками кафедры региональной геологии и истории Земли МГУ по результатам экспедиций 1998 и 2004 гг. Также изучено описание скважины глубоководного бурения Гамбурцева-2 в акватории Черного моря (Одесский шельф, территориальные воды Украины), предоставленная A.M. Никишиным (МГУ). Отобранные образцы горных пород были детально изучены с применением физико-химических, петрографических, геохимических и палеонтологических методов. Изучено 90 шлифов, с помощью рентгено-фазового анализа исследован 21 образец, методом измерения концентрации естественных радиоактивных элементов — 3 образца. В 85 образцах определены содержания органического углерода и карбонатность по концентрации диоксида углерода. Пиролизу по методу «Rock-Eval» были подвергнуты 13 образцов. Методами «мокрой химии» и атомно-эмиссионной спектроскопии с индук-ционно-связанной плазмой исследовались 20 образцов. Радиоляриевому анализу были подвергнуты 2 образца. Образцы пород анализировались в лабораториях геологического факультета МГУ, ГИН РАН, ПИН РАН, ВНИГРИ, ГЕОХИ и ИГЕМ РАН.

Апробация. Основные положения диссертации изложены в 4 статьях и 4 тезисах, доложены на заседаниях кафедры региональной геологии и истории Земли геологического факультета МГУ, на международной конференции «Ломоносов-2006», на секционном заседании ежегодной научной конференции «Ломоносовские чтения» МГУ в 2007 г., на< Третьем всероссийском совещании «Меловая система России и ближнего зарубежья: проблемы стратиграфии и палеогеографии» в г. Саратове в 2006 г., на международной конференции «4 Black Sea Basin Conference on Analyt. Chemistry» в Болгарии в 2007 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы четыре статьи и четыре тезиса докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Работа насчитывает 254 страниц, включает 50 рисунков, 163 фотографии, 27 таблиц, список литературы из 150 названий.

Выводы. Сеноман-туронский разрез в овраге Аксу-Дере ясно демонстрирует кривую изотопа кислорода, отражающую сильное понижение 12С в богатые органикой осадки и насыщение морских вод 13С.

Синхронно с позитивным сдвигом возрастают значения С0рг, указывая, что изотопный сдвиг произошел синхронно с накоплением богатых органикой осадков возможно в аноксидных придонных условиях. Несмотря на то, что регион был вовлечен в глобальную трансгрессию, возможно, что активизация геодинамических процессов привела к локаль.

N> Ul.

5'" o^(VPDB)(AKcyjKpc, 5'fc 'fc.(VPDB) Fisher el all, 2005).

— 50 -40 -3.0.

5 't^, %o (AKcyiKpc. 5' c", v (Аксудсре, 5 (Аксудсре,.

Найднн, Кнжшко. 1994) Найднн, Княшко, 1994) НаГщин. Княшко, 1994).

— 27 -2Й, 25 -24 «'>45 5 -tJ -2.

I-1- -1−1- -1−1сопоставления кривых распределения изотопов кислорода и углерода для разреза овр. Аксу-Дсре (ЮЗ Крым) по литературным данным. Условные обозначения см. в приложении № !

Рис. 19. Схема ным, коротким периодическим регрессиям: Эти регрессии подтверждаются рядом небольших перерывов в регионе и песчанистых слоев внутри глубоководных осадков: Также региональная регрессия могла произойти в основании зоны Whiteinella archaeocretacea, сопоставимой с sub-пленусовой эрозионной поверхностью Англо-Парижского бассейна (Fisher et al., 2005).

По мнению Д. П. Найдина и С. И. Кияшко (19 946), увеличение 513Ccacoi. скорее всего, вызвано изменениями глобального балансауглерода в результате захоронения в осадках (иследовательно, изъятия их мирового круговорота) существенного ¦ количества изо.

1 ^ топически легкого Сорг, что приводило к обогащению изотопомС растворенного в верхних слоях воды океанов неорганического углерода.

1 R.

Связанное с позитивным сдвигом углерода появление отрицательного сдвига 5 О возможно указывает на потепление после ОАЕ-2 вплоть до раннего турона (Найдин, Кияшко, 19 946- Fisher et al., 2005). Ход изменения изотопного состава углерода и кислорода, очевидно, отражал глобальные тенденции баланса атмосферной и океанической, углекислоты (Найдин, Кияшко, 19 946). Значения 5180, однако, считаются связанными с диагене-тическими изменениями, сдвигающими первичный сигнал в сторону отрицательных значений.

1 ^.

Отрицательный сдвиг, видимый на кривой 5 С интерпретируетсякак происшедший возможно за счет диагенеза (рис. 19). Отвечающие самому отрицательному сдвигу 5180' значения 513С указывают на постседиментационное окисление органического вещества. во время локальной экспозиции осадков в оксидных или метеорных условиях понижающегося уровня моря или тектонического подъема (Fisher et al., 2005).

Один из наиболее четких выраженныхэпизодов недонасыщения кислородом в Крыму происходил в самом конце сеномана. Этому времени в разрезе Аксу-Дере соответствует черный прослой, образовавшаяся в пределах планктонной зоны Whiteinella archaeocre-. tacea до появления Inoceramus (Mytiloides) ex gr. labiatus. С черным прослоем связаны высокие концентрации биофильных металлов (Си, Ni, ZnV, Ва, Mo и др.), а также высокие значения С0рГ, которые достигают 7,08%.

Можно выделить две причины накопления металлов высоких содержаний:

1) металлы в черном прослое накапливались при. низком темпе седиментации в условиях полной стагнации;

2) высокая биопродуктивность (организмы растворились, а металлы, входящие в их состав остались).

По мнению Д. П. Найдина и С. И. Кияшко (19 946) концентрации металлов в черном прослое разреза овр. Аксу-Дере изначально обязаны относительно высокому их содержанию в планктонных организмах.

4,3. Характеристика радиоактивности битуминозных прослоев ЮЗ Крыма и СЗ Кавказа.

На кривой ГК (гамма-каротаж) в интервале ссноман-туронской границы в скв. Гам-бурцева-2 в акватории Черного моря (Одесский шельф, территориальные воды Украины (рис. 20)) наблюдается локальный максимум (Никишин и др., 2005; Плотникова и др., 2006).

J±r.

Известняки.

Рис. 20. Геолого-геофизическая характеристика продуктивной части разреза скв. Гамбурцева-2 (но данным «Науканафтогаз» и «Нафтогаз Украины», 2004 г.- с интерпретациями автора из Никишин и др., 2005).

Литологическая характеристика.

Комгикксц фораминифер, канопланкгонп.

Известняк светло-серый, темный, трещиноватый.

Rotalipora cf. Appcnni-mcn (Reiiz.). К. cushmani (Mom.), Мяг-ginotruncana iff.

Условные обозначения:

Из ее с тая к темно-серый. дсщитиый.

R cu-shmwii.

Иэвестняк темно-серый, темный, кремнистый, песчано-алевритовый, слабо с люди с I ы к. в верхней части керка — мергель темно-серый до чернот.

Мот). В сидЬтлт.

Могп.>.

R. rcichcl. Gavel], nelEl сспотвгиел Rrnt7. nutnerago seg-mcnlBtiim.

Litraphigilcs «cuius.

Были проанализированы 3 образца богатых органикой черных прослоев из овр. Ак-су-Дере (АД-9) и г. Сельбухра (С-БЗ) (ЮЗ Крым) и разреза г. Туапсе-р. Псезуапсе (К-35−2с) (СЗ Кавказ) методом измерения концентрации естественных радиоактивных элементов. Данные породы характеризуются повышенной радиоактивностью. При стандартной интерпретации повышенная радиоактивность характерна для глинистых пород. Это связано с тем, что глинистые минералы содержат высокое содержание концентраций калия и тория. В обычной глине концентрация Ra226 составляет от 2 до 4 г/т, Th232 — от 14 до 20 г/т, а К — от 2 до 3%. В исследуемых образцах эти концентрации сильно отличаются от таковых для обычной глины. Так как в данной скважине (рис. 20) не проводился спектрометрический гамма-каротаж, а исследования образцов из разрезов, аналогичных этим отложениям показали, что в них содержание глинистой компоненты низкое (табл. 6, 7). Поэтому эти образцы (С-БЗ, АД-9 и К-35−2с) были переданы на исследование концентрации естественной радиоактивности элементов в институт ИГЕМ РАН ктн. Керзину A. J1. Результаты анализа приведены в таблице 22.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате послойного описания пограничных отложений сеноманского и туронского ярусов можно сделать следующие выводы:

А) Юго-Западный Крым: Детальная седиментологическая корреляция изученных разрезов выявила 3 закономерности и позволила проследить их на площади: 1) общее уменьшение карбоната кальция разрезов овр. Аксу-Дере, г. Сельбухра и г. Белой на границе подпачек VI-2 и VI-3- 2) в средней части подпачки VI-3 происходит уменьшение карбоната кальция в разрезах овр. Аксу-Дере, г. Белая и г. Сельбухра, но в овр. Аксу-Дере, и г. Белая оно связано с увеличением содержания органического углерода (АД-9-АД-11), а на г. Сельбухра — с кремнистым прослоем (С-Б9-С-Б9') — 3) в овр. Аксу-Дере, г. Сельбухра и г. Белой в верхней части подпачки VI-3, непосредственно под границей ееномана и турона, выявлен 2-й пик повышение содержания органического углерода, уменьшение карбоната кальция и увеличение терригенной примеси.

Б) Северо-Западный Кавказ: Черные прослои в Новороссийском синклинории связаны с турбидитным типом седиментации подножия склона и дна глубоководного трога и, в случае разреза Андреевского перевала, с близостью вулканического центра, с одной стороны, непосредственно на дне глубоководного трога (гиалокластиты и фрагменты андезитов) и, с другой стороны, располагавшегося юго-восточнее мощного Понтийско-Закавказского вулкано-плутонического пояса.

Результаты геохимических исследований образцов показывают, что в целом породы содержат кероген II-III типов. Природа органического вещества и рассмотренные литологические характеристики изученных разрезов позволяют предположить, что показатели содержания Сорг повышаются за счет интенсификации его сноса с континента.

По данным геохимических исследований в обстановке сероводородного заражения накапливались пробы черного прослоя оврага Аксу-Дере, Сельбухры и породы Лазаревской подзоны — район г. Туапсе, р. Псезуапсе, что совпадает с пиками повышенного содержания ОВ. Породы выше и ниже черного прослоя формировались в оксических обстановках.

Флуктуации кривой S180 для Аксу-Дере показывают постоянное увеличение температуры воды от начала трансгрессии до начала регрессии. Накопление богатых органикой прослоев происходило в условиях возрастающего прогрева воды.

Изотопные сдвиги кислорода карбонатов и углерода органического вещества, зафиксированные в породах ОАЕ-2 по всему миру, включая разрез Аксу-Дере, а также определения палеотемпературы морской воды в раковинках планктонных фораминифер, доказали, что в это время существовало сильное потепление и повышение содержания СОг в атмосфере. В свою очередь, последнее обстоятельство способствовало как усиленному карбонатонакоплению, так и активному потреблению углекислого газа в ходе фотосинтеза и, следовательно, повышению первичной продукции.

В разрезе Пуэбло, стратотипическом разрезе сеномана и турона, расположенном в США в штате Колорадо установлено несколько реперных уровней, привязанных к шкале времени для пограничных сеноман-туронских отложений:

1) последнее появление Rotalipora deekei (93−95 млн-.лет).

2) первый пик понижения 813С (93,91 млн. лет);

3) последнее появление Rotalipora cushmani (93,9 ± 0,2 млн. лет) (началозоны-Whiteinella archeocretacea);

1 •.

4) второй пик понижения 813С (93,86 млн. лет);

5) первое noxBJieime Helvetoglobotnmcana helvetica (93,29 ± 0−2 млн. лет).

Четыре из пять реперных уровней установлены и в изученных разрезах ЮЗ Крыма. В разрезе овр. Аксу-Дере установлены четыре репера' (1, 3−5- 4-й репер по данным Fisher et al., 2005), в разрезе г. Сельбухры и г. Белой- - 1, 3, 5. В: разрезе овр. Аксу-Дере установлены еще два пика понижения 813С (93,66 и 93,62 млн. лет), которые отсутствуют в разрезе Пуэбло.

Скорость седиментации во время, накопления подпачки VI-3 вразрезе овр г Аксу-Дере составляет 0,403 см/тыс. лет, а пачки VII — 1,11 см/тыс. лет. В разрезе г. Сельбухрыосадки подпачки VI-3 накапливались со скоростью 0,78 см/тыс. лет. Для разреза г. Белой, определена скорость седиментации• для подпачки VI-3, составляющая 1,36 см/тыс. лет. Скорость седиментации подпачки VI-3 ниже чем пачки УП. Это можно предположительно объяснить тем, что это был застойный режим, с низкой биогенной продуктивностью карбоната кальция? либо с тем, что вусловиях сероводородного заражения! карбонат кальция мог растворяться. Для сравнения, в: Пуэбло скорость! седиментации, для интервала времени, отвечающего подпачкеЛЧ-З, составляет Г, 05 см/тыс. лет. В разрезах ЮЗ Крыма скорость седиментации уменьшается в СЗ направленииПоскольку в разрезах фиксируются несколько перерывов небольшого масштаба, то скорости осадконакопления* могут быть несколько занижены.

Во времяформированияподпачки VI-2 в ЮЗ Крыму существовал хорошо прогреваемый-сравнительно глубоководный. бассейнседиментации глубиной около 500 м с биогеннымтипом1 осадконакопления. Разрез, г. Сельбухры, гг. Мендер, Белаяи Аксу-Дере располагались приблизительно на одном батиметрическом уровне. Незначительная' примесь глинистого и песчанистого материала указывает на существование не удаленного источника сноса.

На протяжении сеноманского века происходит активное раскрытие Черноморской впадины, что сопровождается, в частности, на территории ЮЗ Крыма возникновением мелкобасштабных сбросовых структур. На г. Белой четко фиксируются складки подводного оползания.

В этот момент геологической истории происходит слабая регрессия, где уровень моря опустился приблизительно на 50 м. Возникли s сбросовые структуры, имеющие вид ступеней, возможно затухающих к востоку.

Установлено общее уменьшение содержания карбоната кальция разрезов < овр. Аксу-Дере, г. Сельбухра и г. Белой на границе подпачек VI-2 и VI-3, за’счет возрастания' доли терригенной примеси, что интерпретируется как кратковременная регрессия^ или интенсификация гидродинамических процессов.

Произошла существенная перестройка гидродинамики во время накопления осадков средней части подпачки VI-3: происходит уменьшение содержания карбоната кальция разрезов овр. Аксу-Дере и г. Белая (за счет увеличением содержания органического углерода и цветения динофлагелят) и г. Сельбухра (за счет цветения1 радиолярий). Этиседиментологические события свидетельствуют о существовании микроапвеллингов. i.

Следующее за этим непосредственно перед границей ееномана и турона (конец формирования подпачки VI-3) повышение содержания органического углерода, уменьшение карбоната кальция и увеличение терригенной примеси, установленное в разрезах овр. Аксу-Дере, г. Сельбухра и г. Белой, возможно, связано с эпизодом гумидизации климата.

По результатам анализа отношения Мо/Мп установлено, что накопление богатого органикой прослоя"происходило в условиях чередования* сероводородного заражениями в оксических обстановках.

В более мелководном разрезе г. Сельбухры установлен П тип керогена (морской, с привносом континентальной органики) и Ш тип (органика озерного, гумусово-озерного, болотного генезиса), а в более удаленном от береговой линии и более глубоководном разрезе Аксу-Дере — только II тип. Исходя’из данных отношения Copr/N установлено, что в черном прослое разреза оврага Аксу-Дере преобладает терригенное органическое вещество, в разрезе г. Сельбухра доминирует также терригенная органика.

В итоге, время формирования подпачки VI-3 характеризовалось серией палегеографических событий: сменой климата, трансгрессией — регрессией — трансгрессией, микроапвеллингом, с локальным доминированием радиолярий и продукцией биогенного кремнезема, всплеском биопродуктивности диноцист и водорослей с продукцией и захоронением органики, изменением объема и скорости, а также состава сносимой с суши терригенной компоненты (включая органику).

В целом геометрия бассейна во время формирования пачки УП напоминала предыдущую стадию. Различия состояли в углублении бассейна особенно в его северной части (Мендер). Высокая продукция фораминиферами биогенного кальцита возможно сменяется микроапвеллингами с последующей продукцией биогенного кремнезема радиоляриями.

На основе седиментологических и геохимических данных из рассматриваемых в работе разрезов СЗ Кавказа только один (Андреевский перевал), формировался ниже ГКК на ложе трога. Остальные три накапливались на склоне глубоководного трога (Новороссийск — Грушовая, Широкая Щель, г. Туапсе — р: Пзезуапсе).

На склоне трога и его дне (разрезы Анапско-Агойской подзоны) установлен Ш тип керогена (органика озерного, гумусово-озерного, болотного генезиса), что свидетельствует в пользу активного сноса с континента. В разрезе Лазаревской подзоны обнаружен только П тип (морской с привносом континентальной органики). Это обстоятельство можно объяснить расширением трога в восточном1 направлении' и, соответственно его удалением от береговой линии. Основным механизмом формирования осадков трога являлисьмутьевые потоки: Транспортируемый потоками терригенный материал насыщался на шельфе биогенной обломочной фракцией и перемещался-далее вниз по склону трога в более глубоководные области. Состав обломочной минеральной фракции указывает на близость источника сноса.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Породы черного прослоя в разрезах ЮЗ" Крыма, где выделяется два цикла их формирования, характеризуют пелагические осадки шельфа. Породы черного прослоя в разрезе Андреевского перевала формируются, на’дне глубоководного трога, а разрезы Новороссийск-Грушовая, овр. Широкая Щель и разрез г. Туапсе-р. Псезуапсе характеризуют подножье склона глубоководного трога.

2. Состав керогена указывает на гумидизацию климата. Соотношение Мо/Мп говорит о существовании сероводородного заражения. Повышенная радиоактивность данных отложений определяется содержанием урана и связана с повышенным содержанием ОВ, адсорбирующего на себя уран.

3. Для разрезов ЮЗ Крыма установлена последовательность лито, хемои биособытий, на основе сопоставления местной событийной шкалы с таковыми для стратотипического разреза сеноман-туронской границы Пуэбло (Колорадо). Скорости осадконакопления для пачки «битуминозных прослоев», определенные по геохронологическим датировкам подошвы и кровли пачки ниже, чем в подстилающих и покрывающих интервалах, что также хорошо коррелируется с данными по стратотипическому разрезу.

4. Времени формирования черных прослоев в ЮЗ Крыму отвечает серия палеогеографических событий: смена климата, трансгрессия — регрессия — трансгрессия, возникновение микроапвеллингов, изменение скоростей седиментации. Времени формирования ананурской свиты также отвечает чередование трансгрессивно-регрессивных эпизодов: увеличение карбонатной составляющей в составе аргиллитов и появление известняков на склонах глубоководного трога, что, возможно, совпадает с изменением уровня глубины карбонатной компенсации.