Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История исследований и развитие современных представлений о строении и происхождении пермских отложений востока Русской плиты 9
1.1. История исследований
1.1.1. История открытия пермской системы 9
1.1.2. Классический период становления пермской стратиграфии 12
1.2. Стратиграфия
1.2.1. Уфимский ярус 15
1.2.2. Казанский ярус 19
1.2.3. Пермские (казанские) разрезы Мелекесской впадины 43
1.2.4. Татарский ярус 51
1.2.5. Пермская система: общая (Международная) стратиграфическая шкала 59
1.2.6. Возрастные границы и длительности подразделений пермской системы 75
1.3. Общая петрографическая характеристика верхнепермских осадочных комплексов 81
1.4. Геодинамические, палеогеографические и палеоклиматические факторы формирования пермской осадочной толщи 107
Глава 2. Характеристика исследованных объектов пермской системы 122
Глава 3. Методы исследований 139
3.1. Циклический анализ 139
3.2. Спектральный анализ 149
3.3. Фрактальный анализ 156
3.4. Изотопный анализ 174
3.5. Метод ЭПР и парамагнитные метки 188
3.6. Палеомагнетизм и магнетизм горных пород 203
Глава 4. Вариации изотопных отношений Srr Sr, 5 С и о О в пермских карбонатных отложениях 227
4.1. Изотопное отношение 87Sr/86Sr 227
4.2. Изотопные отношения 813С и 5180 244
Глава 5. Природа и реконструктивное значение магнитных минералов в отложениях переходных фаций 266
Глава 6. Цикличность пермских отложений 283
6.1. Спектральный анализ рядов данных литологических параметров 287
6.2. Литологическая зональность и цикличность 305
Глава 7. Анализ структуры стратиграфической записи 332
7.1. Фрактальная структура стратиграфической записи в пермских разрезах 334
7.2. Фрактальные образы ГК диаграмм: их характеристика на примере профилей скважин Западного Закамья и реконструктивное значение 338
Глава 8. Палеогеографические (палеоклиматнческие и эволюционные) изменения в перми 342
Заключение 354
Список литературы 355
Приложения 390
- Классический период становления пермской стратиграфии
- Возрастные границы и длительности подразделений пермской системы
- Метод ЭПР и парамагнитные метки
- Природа и реконструктивное значение магнитных минералов в отложениях переходных фаций
Введение к работе
Актуальность исследования Пермского периода и пермских отложений вообще в практическом смысле совершенно очевидна. Пермские отложения покрывают значительную часть земной поверхности. Например, вся восточная часть Европейской России покрыта этими отложениями. На этих территориях человек в процессе хозяйственной деятельности (строительство, земледелие, добыча многих полезных ископаемых) непосредственно соприкасается с указанными отложениями, что требует прогнозирования их свойств в пространстве. Последнее особенно важно с точки зрения поиска различных типов полезных ископаемых, заключенных в этих образованиях (пески, глины, карбонатные породы, вода, битумы и др.).
Также огромное значение имеет образовательный аспект этой проблемы. Логичное объяснение условий формирования пород, описание необычных для современных условий особенностей палеоклиматических и эволюционных процессов позволит привлечь новых исследователей этой проблемы.
Научная актуальность исследования пермских отложений обусловлена тем, что на границе Палеозоя и Мезозоя произошли принципиальные изменения природной среды, которые привели к исчезновению ~90% видов морских беспозвоночных (S.M.Stanley, 1987). Резкое изменение биосферы, на этой границе, было обусловлено многими геологическими перестройками: тектоникой литосферных плит, изменениями состава атмосферы, океана, изменениями факторов формирования климата, т.е. всей совокупностью внешних и внутренних причин (Н.В.Короновский, А.Ф.Якушова, 1991). До сих пор не достигнуто полное понимание природных процессов, происходивших в эту далекую геологическую эпоху. Это, несомненно, актуальная научная и практическая проблема. К сожалению, исследование пермских отложений в советский период было направлено большей частью на решение практических задач, а фундаментальным литологическим реконструктивным аспектам стратиграфической записи уделялось недостаточное внимание. В последние годы интерес к этим вопросам существенно возрос в связи с тем, что палеоклиматические исследования и исследования особенностей окружающей среды в геологическом прошлом стали одним из ключей к пониманию современных климатических процессов. Исследование Пермского периода в одном из ключевых регионов востока Русской плиты - Волжско-Камском регионе, где располагаются многочисленные естественные обнажения и скважины, вскрывающие отложения, характеризующие самые разнообразные фациальные особенности позднепермских палеобассейнов, открывает широкие возможности для понимания процессов, происходивших в конце Палеозойской эры. Кроме того, вот уже более 165 лет, с момента открытия Р.И.Мурчисоном пермской системы ведется исследование пермских отложений в этом регионе и получен огромный объем самых разнообразных данных, в том числе, - литологических данных по большому количеству объектов, позволивших получить общие представления об особенностях обстановок седиментации и данные о палеогеографии региона. Тем не менее, остается открытым целый ряд принципиальных вопросов, касающихся самых разнообразных аспектов пермских отложений региона. Мы отметим здесь только те проблемы, которые так или иначе рассмотрены в данной работе -оценки длительности формирования различных толщ осадков, отдельных циклов, оценки длительности различных перерывов осадконакопления, оценки полноты разрезов, перспективы их глобальной корреляции. Указанные проблемы можно решить, только получив принципиально новые данные. Естественно, что принципиально новые данные по столь хорошо исследованному объекту могут быть получены новыми методами и методиками. За последние 20-30 лет в арсенале геологии появилось множество новых методов, которые уже позволили получить замечательные результаты в других регионах на отложениях другого возраста. Основная актуальность данной работы состоит как раз в том, что в ней впервые приведены принципиально новые данные об этом чрезвычайно интересном объекте, полученные современными физико-химическими и математическими методами. В частности, это - соотношения стабильных изотопов кислорода, углерода и
стронция в карбонатных отложениях перми Волжско-Камского региона, новые данные о магнитных параметрах пород (по методу ЭПР и ферримагнитным характеристикам), результаты анализа цикличности разрезов комплексом статистических и спектральных методов, анализа фрактальных моделей осадочных разрезов и стратиграфических записей. Все эти результаты позволили получить принципиально новые представления о процессах формирования указанных толщ и по-новому взглянуть на пермскую стратиграфическую запись. Этого невозможно было бы достигнуть, если бы мы не использовали ряд новых геолого-статистических концепций и принципов, успешно опробованных на многих других объектах, но не применявшихся для анализа данных по пермским толщам Волжско-Камского региона. Например, необходимо отметить, что интерпретация полученных данных базировалась на концепции цикличности осадконакопления, в некотором масштабе обусловленной астрономическими процессами и фиксирующейся в стратиграфической записи. Стратиграфическая запись циклична и обладает свойством самоподобия, поэтому использовались современные методы обработки рядов данных, позволяющие выявлять характер цикличности и самоподобия, а именно: спектральный анализ (метод максимальной энтропии и метод Фурье) и фрактальный анализ. Одним из ключевых понятий, использованных в данной работе, стало понятие «стратиграфическая запись». Мы полагаем, что стратиграфическая запись представляет собой проекцию конкретного разреза (последовательности слоев различных литологических типов осадков), находящегося в ненарушенном состоянии, на ось геологического времени. Такой подход позволяет неявно внести время в разрезы осадочных толщ. Чаще всего мы не знаем абсолютных величин геологического времени, мы можем рассуждать только в терминах «прерывистое осадко-накопление», «размывы», «непрерывное осадконакопление». Но оказывается, мы можем оценить скорости осадконакопления за небольшие промежутки времени на участках «непрерывного осадконакопления», также оказалось возможным оценить в некоторых случаях длительность временного интервала между двумя слоями в разрезе путем определения длительности некоторых осадочных циклов. Таким образом, появилась возможность исследовать структуру стратиграфической записи, используя для этого самые различные ли-тологические параметры пород .
Цели работы
Демонстрация высокой информативности целого ряда современных изотопно-геохимических, магнитных и литологических методов для реконструктивных целей на примере пермских отложений Волжско-Камского региона.
Разработка методики циклического анализа с использованием спектрального и фрактального анализа результатов комплекса изотопных, магнитных и литологических методов для выявления характера цикличности и прерывистости стратиграфической записи на примере пермских отложений Волжско-Камского региона.
Оценка структуры стратиграфической записи перми по некоторым ключевым разрезам региона, определение длительности основных осадочных циклов, перерывов осадконакопления с использованием комплекса литологических параметров.
Задачи работы
Поставленные цели определили ряд конкретных основных задач, которые были решены в процессе выполнения данной работы:
Обобщение данных по истории исследования пермской системы на востоке Русской плиты.
Обобщение современных представлений о стратиграфии и литологии отложений пермской системы Волжско-Камского региона - как одного из ключевых регионов, представляющих пермские палеобассейны востока Русской плиты.
В данной работе под патологическими параметрами пород мы понимаем не только классические литологнческие параметры (такие как гранулометрические характеристики, параметры карбонатности), но и весь комплекс физико-химических параметров, включая изотопные и магнитные.
Анализ вариаций данных по соотношениям стабильных изотопов стронция, кислорода и углерода в карбонатных отложениях перми Волжско-Камского региона.
Разработка методов анализа магнитных данных для получения информации о природе магнитных зерен в осадках и выдвижение на этой основе гипотезы об условиях формирования красноцветных пород.
Анализ вариаций данных по комплексу таких литологических параметров как: гранулометрический состав, карбонатность (выраженная в параметрах: массовая доля карбонатов в породе, отношение Ca/Mg, параметры спектров ЭПР Мп2+ и радикалов в карбонатных породах), магнитная восприимчивость, мощность слоев, сложенных различными петротипами.
Анализ существующих методов исследования цикличности, их обобщение, дополнение и использование для исследования ключевых объектов.
Обобщение и применение аппарата фрактальной геометрии для исследования стратиграфической записи на примере пермских отложений Волжско-Камского региона.
Разработка методики корреляции разрезов по кривым вариаций локальной фрактальной размерности Херста кривых ПС на примере разрезов структурных скважин в Ме-лекесской впадине.
Выявление структуры стратиграфической записи, полученной по некоторым ключевым разрезам региона, определение длительности основных осадочных циклов с использованием комплекса литологических параметров.
Ю.Обобщение ранее известных и новых полученных в данной работе результатов об особенностях палеоклимата и палеогеографии в свете современных представлений о планетарных палеогеографических изменениях в перми. Защищаемые положения
Вариации соотношений стабильных изотопов 87Sr/86Sr, 5ПС и 5180, полученные для карбонатных отложений перми Волжско-Камского региона, позволяют проследить эволюцию пермских палеобассейнов востока Русской плиты и их связь с открытым морем. Использование изотопных данных позволяет уточнить природу некоторых литологических циклов.
Стратиграфическая запись, обнаруживаемая в разрезах пермских отложений востока Русской плиты (на примере Волжско-Камского региона), содержит палеоклиматиче-ские циклы астрономической природы, распознаваемые на основе спектрального анализа информативных литологических параметров (гранулометрия, значения гамма-активности пород, карбонатность, магнитные параметры).
3. Пермская стратиграфическая запись может быть описана фрактальными моделями,
позволяющими оценить полноту стратиграфической записи и выявить коррелятивное
значение фрактальных образов.
Научная новизна
Впервые получена изотопная характеристика (513С и 5180) отложений пермских палеобассейнов Волжско-Камского региона, позволившая охарактеризовать изменения относительной палеобиопродуктивности пермских палеобассейнов и качественно оценить влияние гляциальных и негляциальных факторов на осадконакопление.
Впервые получено соотношение изотопов стронция (S7Sr/86Sr) для карбонатных отложений опорных разрезов перми, позволяющее позиционировать пермские разрезы Волжско-Камского региона на Фанерозойской эволюционной кривой и выяснить перспективы использования стронциевой изотопной стратиграфии для целей региональной и глобальной корреляции.
Впервые разработан и практически использован новый подход к анализу структуры стратиграфической записи, заключающийся в комплексном анализе цикличности различных литологических параметров в разрезах пермских отложений востока Русской плиты и использовании предположения о самоподобии данной структуры в различных временных масштабах.
На базе аппарата фрактальной геометрии разработана модель пермской стратиграфической записи для обнажений на берегах Волги и Камы и для Мелекесской впадины, позволяющая оценить полноту стратиграфической записи. На основе этой модели определена длительность казанского века, хорошо согласующаяся с оценками, сделанными по другим данным.
Впервые проведен спектральный анализ рядов литологических параметров разрезов перми Волжско-Камского региона и установлено, что ряды изменения песчанистости пород в разрезах наиболее близки к броуновскому шуму, в то время как ряды других литологических параметров содержат большую долю белого шума. Это свидетельствует о том, что изменение содержания песчанистого материала в осадках является наиболее важным и достоверным фактором выделения цикличности в разрезе. Спектры других параметров сильнее подвержены влияниям перерывов и размывов, но они могут быть с успехом использованы на участках с незначительным количеством (или отсутствием) перерывов для выделения циклов. Этот вывод имеет фундаментальное значение для дальнейшего исследования цикличности осадочных разрезов в целом.
Показано, что выявленные в данном регионе циклы могут иметь астрономическую (климатическую) природу, а, следовательно, - каждый цикл имеет определенную длительность, которая установлена с использованием комплекса литологических данных.
Построена корреляция фрактальной размерности Херста по значениям ГК диаграмм скважин Мелекесской впадины и прилегающих территорий, позволяющая выявлять характеристические границы седиментационных комплексов, например, комплексов низкого уровня моря, с которыми часто связаны ловушки углеводородов.
На основе совместного комплексного анализа изотопных и магнитно-минералогических данных, полученных по образцам пермских красноцветных пород, предложена гипотеза формирования окраски красноцветных отложений, основанная на идее биогенного происхождения пигмента отложений.
Практическая ценность
Разработанная методика циклического анализа изотопных, магнитных данных, данных гранулометрии, карбонатное, гамма-каротажа, мощностных характеристик с применением спектрального и фрактального анализа, продемонстрированная на примере сложнопостроенной пермской стратиграфической записи может быть использована для анализа цикличности, исследования структуры стратиграфической записи и реконструкции условий окружающей среды и палеоклимата по любым осадочным толщам, сформированным в эпиконтинентальных мелководных бассейнах.
Данные по вариациям соотношения стабильных изотопов стронция могут быть использованы для корреляции пермских отложений востока Русской плиты, а также для глобальной корреляции.
В процессе выполнения работы получен ряд практических результатов, изложенных в научно-производственных отчетах. Например, показано, что данные об изменениях уровня моря могут быть использованы для построения научно обоснованных локальных схем расчленения и прогноза литологии отложений с целью оценки коллекторских свойств потенциальных резервуаров битумов в Волжско-Камском регионе. Большое практическое приложение может найти предложенный способ отображения скважинной геофизической информации (разрез локальной фрактальной размерности кривых ГК), позволяющий проводить секвенс-стратиграфический анализ по скважинным геофизическим данным.
Использованные материалы
Полученные в рамках настоящей работы научные результаты основаны на большом объеме полевых и лабораторных данных. В обобщении использованы данные по более, чем 250 разрезам пермских отложений, вскрытых на территории Волжско-Камского региона (Закамье, Прикамье и Поволжье) скважинами структурного бурения, оценочными скважинами и представленных в опорных и сопутствующих им обнажениях. Литологиче-
екая характеристика пермских отложений основана на исследовании более чем 1500 шлифов, представляющих самые разнообразные литологические типы пород. Соотношение стабильных изотопов стронция, углерода и кислорода исследовано в общей сложности по почти 100 образцам карбонатных разностей пермских отложений. Для этих же образцов исследовано содержание марганца, железа и других элементов. По более, чем 800 образцам получены характеристики электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спектров Мп2+ и радикалов. Магнитные свойства исследованы по более, чем 1600 образцам, среди них коэрцитивные спектры и термомагнитные кривые получены по 670 образцам. Личный вклад автора
Исследования по пермской тематике ведутся автором данной работы с 1988 года. Автором исследованы разрезы пермских пород в 12 естественных обнажениях и 25 скважинах, проведен анализ разрезов более чем 250 структурных скважин по описаниям и каротажным диаграммам. Отобрано более 1600 проб пермских пород из указанных разрезов. Исследовано более 1000 шлифов из образцов пермских отложений, проведены лабораторные исследования более 800 проб методом ЭПР, 250 образцов методами магнетизма горных пород. Автором проведены анализ и обобщение данных по истории исследования пермских отложений. Автору также принадлежат основные идеи данной работы - использование вариаций соотношения стабильных изотопов стронция для позиционирования региональных разрезов на глобальной эволюционной кривой и выяснения перспектив использования стронциевой изотопной стратиграфии в Волжско-Камском регионе, использование данных о стабильных изотопах кислорода и углерода для реконструкции условий окружающей среды в пермский период. Автором разработана методика циклического анализа стратиграфической записи, базирующаяся на применении спектрального и фрактального анализа.
Автором получены и сформулированы все основные научные результаты: */ изотопная характеристика (513С и 5180) отложений пермских палеобассейнов
Волжско-Камского региона и интерпретация данных; S соотношения изотопов стронция (87Sr/86Sr), позволяющие выявить характер связи
пермских палеобассейнов Волжско-Камского региона с палеокеаном; S гипотеза формирования окраски красноцветных отложений;
S методика циклического анализа на базе спектрального анализа и фрактальных моделей стратиграфической записи условий пермского периода; S климатическая (астрономическая) природа цикличности пермских толщ Волжско-Камского региона. Апробация работы
Результаты, полученные при выполнении работы, были доложены на конференциях самого различного уровня. Результаты ежегодно докладывались на Итоговых научных конференциях Казанского университета 1988-2007 гг. Результаты научной работы также представлялись на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, наиболее значимыми из которых явились: Международная конференция «Пермская система мира» (г. Пермь, 1991 г.), XXVII Амперовский Конгресс (г.Казань, 1994), XIII International Congress of Carboniferous-Permian (Krakow, August 28-September 2, 1995, Poland), Республиканская пермская геологическая конференция (27 февраля- 1 марта, 1996 г., г. Казань), сессия EGS (г. Вена, 1996), 30 Международный геологический конгресс (4-14 августа, 1996г., г.Пекин, Китай), XIV Губкинские чтения «Развитие идей И.М.Губкина в теории и практике нефтегазового дела» (15-17 октября 1996 г., г. Москва), Международный симпозиум «Верхнепермские стратотипы Поволжья» (г. Казань, 1998 г.), Всероссийский съезд геологов и научно-практическая геологическая конференция «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России в конце XXI века» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), VI Международная конференция «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа» (г. Москва, 2002 г.), Объединенная международная научная конференция (г. Казань, 25 августа-5 сентября, 2003 г.), Чтения, посвященные 170-летию Н.А.Головкинского, 160-летию
А.А.Штукенберга, 200-летию геологического музея (г. Казань, 2004 г.), Международный семинар «Палеомагнетизм и магнетизм горных пород: теория, практика, эксперимент» (г. Казань, 2004 г.), Международная конференция «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов» (г. Казань, 2005), семинары Института геологии ЕТН (г.Цюрих, Швейцария) в 2002, 2004 г.г. и семинары геологического исследовательского центра GFZ (г. Потсдам, Германия) в 2007 г., Пятая Всероссийская научно-практическая конференция «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна» (г.Тюмень, 25-27 апреля 2007 г.), Всероссийская конференция «Верхний палеозой России: стратиграфия и палеогеография» (г. Казань, 25-27 сентября, 2007 г.).
Публикации
По теме работы опубликовано более 65 печатных работ, среди них: разделы в 2 монографиях, 16 статей в рецензируемых и реферируемых журналах, фигурирующих в списке ВАК, 24 статьи в сборниках материалов международных и всероссийских (всесоюзных) конференций, симпозиумов и совещаний и других сборниках, 4 учебно-методические разработки, а также более 20 тезисов к конференциям различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертация основным объемом 389 страниц состоит из введения, 8 глав и заключения, включает 45 таблиц, 167 рисунков, список использованных источников из 698 наименований, также в работе имеется 13 приложений на 55 страницах.
Благодарности
Исследование пермских отложений является традиционным направлением в Казанском университете. Формирование казанской школы геологов во многом связано именно с этим направлением научных исследований. В процессе выполнения данной работы мне посчастливилось воспользоваться советами и замечаниями ряда выдающихся представителей этой школы - доцента С.С.Эллерна, моего первого научного руководителя, профессора В.М. Винокурова, который был руководителем моей кандидатской диссертации и привел меня в интересный мир пермской системы и ЭПР спектроскопии.
В разное время я пользовалась поддержкой и помощью многих исследователей КГУ - доцента Г.Р.Булки, профессора Б.В.Бурова, профессора Н.К.Есауловой, доцента А.А.Галеева, доцента И.Я.Жаркова, доцента Ш.З.Ибрагимова, доцента Н.П.Лебедева, профессора Н.М.Низамутдинова, профессора Д.К.Нургалиева, доцента В.В.Силантьева, доцента В.М.Смелкова, доцента Е.Е.Сухова, доцента Р.К.Тухватуллина, профессора Б.В.Успенского, доцента Д.И.Хасанова, доцента Р.Р.Хасанова, старшего научного сотрудника Н.М.Хасановой, доцента Э.В.Утемова, доцента И.Ю.Черновой, доцента П.Г.Ясонова, а также доктора геол.-мин.наук В.А.Пономарчука (г. Новосибирск), профессоров Фридриха Хеллера и Хельмута Вейссерта (ЕТН, Цюрих), доктора Хеди Оберхенсли (GFZ, Потсдам), которым я выражаю искреннюю благодарность.
Работа выполнена при поддержке грантов Минобразования РФ (Е00-9.0-114, Е02-9.0-41), «Университеты России» (015.09.01.034), грантов Швейцарского научного фонда (No. 7SUPJ062095), грантов Министерства экологии и природных ресурсов РТ. Автор выражает благодарность всем этим фондам.
Классический период становления пермской стратиграфии
В 60-х годах XIX века изучение пермской системы получило совершенно новое направление, связанное с именем профессора Казанского университета Н.А.Головкинского. В 1867-1869 г.г. Головкинский опубликовал ряд работ по стратиграфии пермских отложений бассейнов р.р.Волги, Камы и Вятки [Головкинский, 1868].
В пермской толще он выделил три формации [Головкинский, 1868]: "нижнюю пест-роцветную" формацию (прообраз современного уфимского яруса), формацию "пермского известняка" (прообраз современного казанского яруса), залегающую в виде "чечевицы", облекаемой со всех сторон красноцветными породами, и формацию "полосатых мергелей" или, как позднее его стали называть, ярус пестрых мергелей (прообраз современного татарского яруса). В формации «пермского известняка» Головкинский выделил три яруса: "нижний известняк" с конхиферами, "средний известняк" с брахиоподами, "верхний известняк" с конхиферами (рис.1.1.2.1). Схема стратиграфического расчленения Головкин-ского в пределах пермской системы получила общее признание и послужила руководством для дальнейших исследований до конца XIX века. В начале XX века воззрения относительно трехчленного строения российского цехштейна изменились. Было доказано его двучленное строение в составе нижнего спириферового и верхнего конхиферового отделов. Однако, еще раз подчеркнем, что именно Н.А.Головкинскому мы обязаны первым систематическим исследованием пермских отложений в Поволжье и Прикамье. В его работах были интерпретированы условия образования олитовых и пористых известняков, конкреций, вторичных доломитов, вторичного гипса, псевдоморфоз кремня по кристаллам и головчатым стяжениям гипса; выявлена взаимосвязь литологии с тектонической структурой осадочных толщ, обнаружен ряд крупных поднятий и микродислокаций в пермских отложениях Камско-Волжского бассейна; выдвинута концепция об условиях образования и фациальной природе прибрежно-морских отложений. Впервые было осуществлено монографическое описание флоры и фауны морских отложений "пермского известняка" и сделано сопоставление ее с фауной цехштейна Германии. На основании этого было отвергнуто представление о синхронности отложений германского и российского, германского и английского цехштейна. В работе Н.А.Головкинского, по существу, впервые в истории геологической науки описана модель формирования фациальных рядов - седимен-тационных комплексов, формирующихся в результате взаимодействия трех факторов -тектонического, эвстатического и поставки осадочного материала, определяющих положение относительного уровня моря. Головкинский также указывал на необходимость верного соотнесения понятий петрографического, стратиграфического, палеонтологического и хронологического горизонтов, показывая сложность и неоднозначность корреляции, где и сегодня понятие идентичности осадочных единиц часто отождествляют с понятием их эквивалентности.
Схематичный чертеж из монографии Н.А.Головкинского (1868, Фиг.19, стр.121), показывающий как фауна мелководья облекает фауну более глубокого моря непрерывным слоем. "Самый процесс, обусловивший такое распределение, кажется весьма простым. Для ясного представления о нем нужно только обратить внимание на то, что на западе мелководье сменилось глубоким морем, которое снова превратилось в мелководье, тогда как на востоке глубина постоянно оставалась незначительной, что вполне объясняется постепенным опусканием морского дна и отступлением береговой линии на восток, затем опускание сменилось поднятием, или уменьшилось настолько, что не вознаграждало выполнение бассейна осадками, вследствие чего произошло обратное движение береговой линии, с востока на запад" (с.121).
В 70-90е годы XIX столетия производится детальное монографическое описание пермских отложений Приуралья [Штукенберг, 1877, 1882; Карпинский, 1874; П. И. Кротов, 1885; Амалицкий, 1886, 1887; Краснопольский, 1889 и др.], Волго-Камского и Вятского бассейнов [Штукенберг, 1882; Зайцев, 1878, 1880; Никитин, 1886; Нечаев, 1894, 1915, 1921; Ососков, 1890; Лихарев (1910-1911); Чернышев, 1888 и др.]. В рассматриваемый период пермская система принималась в объеме, соответствующем современному верхнему отделу, и расчленялась на три основных стратиграфических подразделения: нижнюю красноцветную толщу (названную А. В. Нечаевым в 1915 г. уфимским ярусом), "серую морскую группу", или цехштейн (выделенную А. В. Нечаевым тогда же в казанский ярус), и "ярус пестрых мергелей" (названный в 1887 г. С. Н. Никитиным татарским). Эти три подразделения рассматривались первоначально в ранге отделов, а позднее ярусов.
Отложения, которые относятся сегодня к нижнему отделу, рассматривались в качестве "пермо-карбона", в составе которого наряду с установленным Карпинским артинским ярусом выделялся верхний - известково-доломитовый - ярус (названный в 1882, 1898 г.г. А. А. Штукенбергом кунгурским). Лишь в начале 20-х годов XX в. по инициативе А. В. Нечаева пермо-карбон был присоединен к пермской системе в качестве ее нижнего отдела. Нижняя граница пермской системы стала проводиться в кровле швагеринового горизонта, рассматривавшегося как верхняя часть разреза карбона. В 30-х годах была создана схема расчленения нижнепермских отложений на основе фораминифер, в основном, фу-зулинид. В.Е. Руженцевым в 1936 году обосновывается самостоятельность сакмарского а в 1954 г. ассельского ярусов (ранее швагеринового горизонта).
Гвоздем этой истории была полемика и противоречия в вопросах о линзообразном залегании цехштейна и его соотношениях с параллельными пестроцветными образованиями, а также о возрасте «яруса пестрых мергелей». В бассейнах р.р.Камы, Шешмы и Сока Зайцев [Зайцев, 1880] утверждает о тесной связи «яруса пестрых мергелей» и цехштейна, такой, что пласты их «взаимно переслаиваются», причем мощность известняка цехштейна гораздо меньше мощности пестрых мергелей. Автор приходит к выводу, что цехштейн образует остров между р.Камой, водоразделом Сока и Шешмы и Волгой.
Кротов [Кротов П.И.,1881] указывает, что связь между известковыми пластами цехштейна и известково-мергелистыми пластами яруса пестрых мергелей такая же на запад от Казани, как и на восток от нее, то есть горизонты эти непосредственно друг в друга переходят.
В 1882 г. А.А. Штукенберг [Штукенберг, 1882] проводит специальные исследования по разрезам «цехштейна» р. Камы, в результате которых идея Головкинского получила убедительное подтверждение. Но и после этого заключения многие исследователи, да и сам Штукенберг, продолжали рассматривать континентальные аналоги «цехштейна» в составе "яруса пестрых мергелей".
В 1883 г. С.Н.Никитин опубликовал работу «Геологический очерк Ветлужского края», в которой защищал триасовый возраст яруса пестрых мергелей, основываясь на положении яруса между цехштейном и юрой и присутствии в пестрых породах остатков наземной растительности и пресноводной фауны триасового типа: Calamites arenaceus, Esheria minuta, Geratodus wetlugae и остатков лабиринтадонтов, а также на значительной мощности пород до 200 м.
Возрастные границы и длительности подразделений пермской системы
Основная проблематика стратиграфии пермской системы связана с неустойчивостью границ многих подразделений и необходимостью их калибровки изотопно-геохронометрическими (изотопными, радиометрическими, абсолютными, физическими) методами [Рублев, 1996; Menning, 1995, 2001; Wardlaw et al., 2004]. Расхождения в положении границ и длительностях подразделений пермской системы ярко продемонстрированы в работах [Menning, 1995, 2001] (рис. 1.2.6.1). А на рис.1.2.6.2 представлены все известные к настоящему времени изотопно-геохронометрические оценки пермских подразделений. В изотопно-геохронометрическом отношении возраст подошвы Гваделупского отдела рассматривается между кунгурскими оценками и группой оценок 265.4±4.0 млн. лет (Техас, [Long et al., 1997]); 264.1±2.2 млн. лет (подошва кэптена - [Roberts et al, 1996]); 265.3 ±0.2 ([Bowring et al., 1998]); 253.4±3.2 млн. лет [Chuvashov, 1996; Jin, 1996]. Исходя из оценок возрастов подошвы кунгура и подошвы кэптена наиболее приемлемый возраст подошвы роадского яруса находится между 269 млн.лет [Wardlaw and Rohr, 1996] и 272 млн. лет [Menning, 1995, 2001, 2006]. Следующая группа изотопно-геохронометрических определений относится уже к пермо-триасовой границе (рис.1.2.6.2). Основным определением считается оценка возраста пермо-триасовой границы в 251.2+3.4 млн. лет по цирконам глины слоя 25 разреза Мейшань [Claoue Long et al., 1991; Wardlaw et al., 2004]. В целом, пермо-триасовая граница является наиболее изученной в изотопно-геохронометрическом отношении, в основном, только в пределах одного разреза Мейшань. Вучиапиньско-чансиньская граница оценивается в 253-255 млн. лет со ссылкой на изотопное определение в 253.4± 0.2 млн. лет в слое 7 разреза Мейшань.
Длительность пермского периода составляет на основе вышеприведенных оценок 299-251= 48 млн. лет. Длительности ассельского, сакмарского, артинского, кунгурского интервалов составляют по представленным данным 6, 10, 10, 5 млн. лет соответственно. Длительность Предуральского отдела ( 30 млн. лет) превышает длительность формирования Гваделупского и Лопинского отделов вместе взятых ( 21 млн. лет).
Длительности интересующих нас уфимского, казанского и татарского веков, в основном, определяются очень приблизительно по положению в разрезе и литостратигра-фической характеристике в условиях довольно неубедительной корреляции с международными «стандартами» [Menning, 2001, 2006]. Оценки длительностей этих интервалов осложняются также неясностью в отношении стратиграфического положения уфимского яруса, который включается либо в кунгурский ярус, либо причленяется к казанскому ярусу, вследствие чего варьируют их длительности. Так, из рис. 1.2.6.1 видно, что только в двух схемах ((1) и (19)) уфимский интервал выделяется в самостоятельную единицу. Уфимский, казанский и татарский ярусы имеют, по мнению Меннинга [Menning, 2001, 2006], статус литостратиграфических единиц в отличие от хроностратиграфических единиц общей международной стратиграфической шкалы. Уфимский ярус сопоставляется приблизительно частично или полностью с роадским ярусом, казанский ярус - частично с роадским и частично с вордским ярусами или целиком только с вордским ярусом, а татарский ярус - частично с кэптенским и частично с вучиапиньским и чансиньским ярусами. О длительностях уфимского, казанского и татарского веков можно говорить лишь приблизительно. Длительность уфимского века, вероятно, не более -2 млн. лет, казанского века от -2-3 до 5-6 млн. лет, татарского века от 5 до -16 млн. лет [Wardlaw et al., 2004] (рис. 1.2.6.1, таблица 1.2.6.1).
Длительности интересующих нас уфимского, казанского и татарского веков, в основном, определяются очень приблизительно по положению в разрезе и литостратигра-фической характеристике в условиях довольно неубедительной корреляции с международными «стандартами» [Menning, 2001, 2006]. Оценки длительностей этих интервалов осложняются также неясностью в отношении стратиграфического положения уфимского яруса, который включается либо в кунгурский ярус, либо причленяется к казанскому ярусу, вследствие чего варьируют их длительности. Так, из рис. 1.2.6.1 видно, что только в двух схемах ((1) и (19)) уфимский интервал выделяется в самостоятельную единицу. Уфимский, казанский и татарский ярусы имеют, по мнению Меннинга [Menning, 2001, 2006], статус литостратиграфических единиц в отличие от хроностратиграфических единиц общей международной стратиграфической шкалы. Уфимский ярус сопоставляется приблизительно частично или полностью с роадским ярусом, казанский ярус - частично с роадским и частично с вордским ярусами или целиком только с вордским ярусом, а татарский ярус - частично с кэптенским и частично с вучиапиньским и чансиньским ярусами. О длительностях уфимского, казанского и татарского веков можно говорить лишь приблизительно. Длительность уфимского века, вероятно, не более -2 млн. лет, казанского века от -2-3 до 5-6 млн. лет, татарского века от 5 до -16 млн. лет [Wardlaw et al., 2004] (рис. 1.2.6.1, таблица 1.2.6.1).
Основными петротипами песчаников верхней перми являются граувакки, полимик-товые и олигомиктовые песчаники. На рисунке 1.3.1 показано распределение петротипов по классификационным критериям В.Д.Шутова на примере казанских терригенных отложений Мелекесской впадины.
В аллотигенном составе казанских отложений среди тяжелых минералов отмечаются магнетит, апатит, хромшпинелиды, хромит, гранат, амфибол, рутил, шпинель, сфен, корунд, эпидот-цоизит, роговая обманка и др. (таблица 1.3.1, рис. 1.3.6) [Геология Татарстана..., 2003; Мухутдинова, 1991]. Выявленный комплекс минералов подтверждает идею о существовании нескольких типов пород питающей провинции и смешении терригенных потоков, перемещавшихся с востока и юго-востока на изучаемую территорию [Батурин, 1947, Сементовский, 1973]. Аутигенные минералы представлены гидроокислами железа и марганца, комочками коллофана, сидеритом, баритом, стронцианитом, пиритом, малахитом, азуритом, купритом, халькозином и др [Геология Татарстана..., 2003; Мухутдинова, 1991].
Метод ЭПР и парамагнитные метки
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) впервые был экспериментально обнаружен в 1944 г. в Казани доцентом Казанского государственного университета Е. К. За-войским. Это был также первый успешный эксперимент по магнитному резонансу в конденсированной фазе. С самого начала ЭПР получил широкое практическое применение, но современные успехи технологии делают его еще более значимым, открывая применения в физике, химии, биологии, медицине, геохимии, экологии, и других отраслях науки.
ЭПР - это спектроскопический метод изучения вещества. Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку, от микровключений. Он позволяет обнаруживать и исследовать активные парамагнитные центры при очень низких концентрациях вещества. Высокая чувствительность метода позволяет решить целый ряд задач, связанных со строением минералов, характером вхождения и распределения парамагнитных примесей в этих минералах. Возможно быстрое и надежное определение валентных состояний парамагнитных примесей, наличия и структуры радиационных электронно-дырочных центров в минералах различного генезиса.
Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в следующем [Альтшулер, Козырев, 1972; Абрагам, Блини, 1972]. Если поместить свободный ион с результирующим моментом количества движения J в магнитное поле Н, то для J, отличном от нуля, в магнитном поле снимается вырождение, и в результате взаимодействия с магнитным полем возникает 2J+1 уровень, положение которого описывается выражением: W=gPHM, (где M=+J, +J-1, ...-J) и определяется Зеемановским взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом J. Расщепление энергетических уровней электрона показано на рис. 3.5.1.
Если под прямым углом к постоянному магнитному полю приложить переменное электромагнитное поле, то оно будет вызывать магнитные дипольные переходы. При этом при совпадении энергии электронного перехода с энергией электромагнитной волны будет происходить поглощение излучения. Этого можно добиться, изменяя длину волны или меняя напряжённость магнитного поля. Удобно менять напряжённость магнитного поля и фиксировать изменение поглощения электромагнитной волны. Условия резонанса определяются соотношением h v =gpH, где h- постоянная Планка, v - частота электромагнитного излучения, g - g-фактор, определяющий положение резонансной линии, Р - постоянная Бора, Н - напряженность постоянного магнитного поля. Поглощение энергии СВЧ поля наблюдается в том случае, если между уровнями существует разность заселённостей.
Парамагнитный резонанс наблюдается в кристаллах, содержащих элементы группы железа (3d), группы палладия (4d), группы платины (5d), редких земель (40, актиноидов
(50 Оптимальные концентрации парамагнитных ионов в минералах составляют от 0.1 до 0.001 масс. %. Для ЭПР спектроскопии существует верхний предел концентрации микропримеси - 0.1-1 масс.%, связанный с сильным уширением резонансной линии. Наиболее подходящими для исследований являются ионы, способные давать спектры при комнатной температуре: Cr3+, Mn2+, Fe3+, Cu2\ Eu2+, Gd3+[ToH4apoBa и др., 1982].
Электронно-дырочные дефекты - парамагнитные центры, возникающие в структуре минералов на основе имеющихся структурных дефектов, которые называются предцен-трами. Потеряв один электрон или. наоборот, захватив его, предцентры становятся парамагнитными, например СОз" или СОз3" в карбонатах, Е-центры в силикатных минералах. Такие центры присутствуют в оптимальных концентрациях.
В бассейнах осадконакопления всегда содержатся значительные концентрации марганца, которому сопутствует и железо, имеющее с марганцем сходные геохимические свойства, вытекающие из их соседства по таблице Д.И.Менделеева. Однако в природе, в зоне гипергенеза, нет ни одного железомарганцевого минерала. Fe- и Mn-рудные месторождения нередко сопутствуют друг другу, но всегда разделены во времени и пространстве. Причина такого разделения кроется в разнице величин стандартного потенциала окисления - более низкого для Fe и высокого для Мп. Окисление Fe в природной обстановке происходит легче и быстрее.
В океане железо образует собственные минералы или входит в состав других (глинистых) как в окисленной, так и восстановленной (бескислородной) осадочной толще. Марганец же в твердой фазе может существовать здесь только в окислительных условиях в форме свободных гидроксидов высшей степени окисления, близкой к МпОг. Но, как правило, происходит сорбционное связывание некоторого количества (обычно 1 - 2%) двухвалентного марганца в виде МпО, за счет окисления которого постепенно и наращивается собственная фаза гидроксида. Точнее его состав отражает формула: пМпОМпОг-тНгО [Базилевская, 2003]. В бескислородных осадках это соединение растворяется, восстанавливаясь до Мп +, мигрирует к поверхности (в сторону кислородсодержащей среды). Именно так и случается в окраинных районах океанов на континентальном шельфе, где скорости накопления осадков речного стока велики и в их толще создаются восстановительные условия. По существу, окраинные районы океанов - это «фабрика», поставляющая растворенный Мп и, в меньшей мере, Fe в океан. «В меньшей мере» означает не абсолютное количество Fe, а то, что часть его, поступившая с речным стоком [Вернадский, 1954], связывается в восстановленном осадке в форме сульфидов или входит в состав других минералов и выводится из океанского рудогенеза. Таков первый этап разделения данных элементов в океане.
Главное геохимическое различие Мп и Fe в океане сводится к тому, что Fe образует многочисленные минеральные формы, в которых и выводится из рудогенеза, осаждаясь как в окислительных, так и восстановительных условиях, в то время как Мп находится в твердофазной (підроксидноїї) форме только в окисленной среде. Мп имеет замкнутый круговорот в океане. В ходе геологической истории он многократно может переходить из растворенного состояния в твердофазное (образуя окислы, карбонаты, железо-марганцевые конкреции (ЖМК)) и наоборот, и каждый раз при этом теряет часть ранее связанного с ним Fe. Насколько резко произойдет их разделение, зависит от времени пребывания Мп в океане, от мобильности океанского дна, выраженной в процессах спрединга в океанических хребтах, и связанных с ними активизацией вулканической и гидротермальной деятельности, и процессах субдукции. Эти процессы вызывают резкое повышение температуры, снижение содержания кислорода в морской воде, а нередко излияния кислых и восстановленных гидротермальных флюидов. В таких условиях ЖМК растворяются и обогащают морскую воду содержащимися в них металлами. При каждом подобном событии часть Fe остается связанной в нерастворимых минералах в осадочной толще, а Мп мигрирует в окислительную среду морской воды, где происходит его регенерация (переотложение), особенно интенсивная в зоне геохимического барьера на границе осадок - вода. Таким образом, Мп в значительно большей степени, чем Fe, связан с гидросферой, и судьба его полностью контролируется изменениями физико-химических параметров морской воды (Eh, рН и др.) [Базилевская, 2003]
Природа и реконструктивное значение магнитных минералов в отложениях переходных фаций
Одним из компонентов практически любой горной породы являются магнитные минералы. Ферримагнитные минералы, распространенные в горных породах, несут информацию об условиях их формирования и диагенеза [Evans, Heller, 2003]. Кроме того, ферримагнитные минералы являются носителями информации о древнем магнитном поле Земли в моменты формирования и изменения горных пород [Dunlop & Ozdemir, 2001]. И, наконец, ферримагнитные минералы, как было установлено в последние десятилетия [Spring, Bazylinski, 2003], очень часто могут являться продуктами жизнедеятельности бактерий, и могут представлять собой палеонтологические объекты [Spring, Bazylinski, 2003].
Известковистые разности пород обладают наименьшей намагниченностью, но среди них встречаются наиболее магнитожесткие образцы. Наибольшими величинами намагниченности, а следовательно - наибольшей концентрацией ферримагнитных минералов обладают песчано-глинистые породы.
Распределение содержания маггемита в рассматриваемых породах является бимодальным с средними значениями -0.22 и -0.64, что обусловлено происхождением этого минерала. По-видимому, существует два типа магнитных фракций - с повышенной и пониженной концентрациями маггемита. В сущности, это два типа различно окисленных фракций. С одной стороны осуществляется привнос в бассейн седиментации крупных окисленных зерен магнетита (титаномагнетита) из зон орогенеза и магматизма. С другой стороны грубая (песчаная) фракция может поступать из зон сложенных многократно переотложенными осадками. В разрезе действительно наблюдается два типа песчаников - с большим и низким содержанием маггемита (рис.6.2В). Естественно, что образцы с малым содержанием глинистой фракции (в сущности - песчаники) подчиняются той же закономерности (рис.6.2А). Однако при увеличении глинистости более 50% бимодальное распределение размывается и становится одномодальным со средним значением -0.49 (рис.5.2А). Уменьшение доли маггемита в породах может быть связано с двумя причина ми: во-первых, с переходом маггемита в гематит (гетит) в гипергенных условиях, во-вторых, со слабым окислением первичного магнетита (титаномагнетита) - что очень маловероятно, так как источники сноса первичных минералов изверженных пород далеко и они многократно переотложены при транспортировке в бассейн седиментации. Таким образом, можно полагать, что наиболее сильно доля маггемита в ферримагнитной фракции зависит от перехода этого минерала в гематит. Логично также полагать, что большая доля маггемита в силыюмагнитных породах (рис.5В) связана с тем, что в этих породах ферри-магнитная фракция представлена крупными зернами сильно окисленного магнетита, покрытыми гематитовой корочкой [Буров и др., 1986]. Термомагнитные кривые подтверждают это наличием характерного термомагнитного эффекта при Т 180-200С. Однако мы наблюдаем наличие сильномагнитных разностей среди глин, причем с высоким содержанием маггемита (рис.5.2А).
Парамагнетизм пород в основном определяется концентрацией в них глинистых минералов (рис.5.ЗА). Поэтому, наряду с анализом зависимости доли маггемита от глинистости мы использовали зависимость доли маггемита в ферримагнитной фракции от намагниченности парамагнитной фракции пород (рис.5.ЗС). По рис.5.2А и 5.3С можно отметить, что в слабомагнитных глинистых породах доля маггемита растет пропорционально содержанию глинистых минералов, что свидетельствует о связи этого минерала с самой тонкой фракцией пород. Аллотигенное происхождение маггемита в этих породах достаточно проблематично ввиду высокой вероятности его перехода в гематит. Вероятнее всего, минерал сформировался при окислении очень мелких зерен магнетита сформированных непосредственно в бассейне седиментации или на небольшом удалении от него и попал в бассейн очень быстро. Источниками такого магнетита могут быть почвы, развитие которых на данной территории началось еще в раннеказанское время, и наиболее широко были распространены в раннем триасе. Другим источником мелких зерен магнетита могли быть продукты жизнедеятельности магнитотактических бактерий обитавших непосредственно в бассейне седиментации. Захороненные среди тонкой фракции пород в присутствии «органического буфера» такие зерна могли сохраниться в форме ассоциации магне-тит-маггемит [Буров и др., 1986].
Термомагнитные измерения проведены на экспрессных весах Кюри [Буров, Нургали-ев, Ясонов, 1986], где измерялась зависимость индуктивной намагниченности от температуры при скорости нагрева 100С/мин. Такая большая скорость нагрева достигается вследствие высокой чувствительности аппарата, что позволяет использовать очень маленький образец объемом не более 100 мм3. При этом градиент температуры внутри столь малого образца не превышает 10С. Термомагнитный анализ велся в постоянном магнитном поле 200 мТ, тогда как у ряда образцов поле насыщения выше, так что фактически измерялась индуктивная намагниченность, являющаяся для таких магнитных минералов, как магнетит, намагниченностью насыщения (Ms). Такие магнитные минералы как гематит и гидроокислы железа имеют высокие поля насыщения, поэтому в процессе нагрева они могли домагничиваться [Нагата, 1965].
Гистерезисные характеристики образцов исследованы с помощью коэрцитивного спектрометра [Буров и др., 1986; Yasonov et al., 1998], позволяющего получить кривые нормального намагничивания до 0.5 Т в автоматическом режиме. По кривым нормального намагничивания были определены следующие характеристики: удельная нормальная остаточная намагниченность насыщения (Мге), удельная намагниченность насыщения за вычетом парамагнитной+диамагнитной компоненты (Ms), коэрцитивная сила за вычетом влияния парамагнитной+диамагнитной компоненты (Не), остаточная коэрцитивная сила (Нет). Соотношения гистерезисных параметров (Но/Не) и (Mrs/Mg) позволяют оценивать доменное состояние, т.е. размеры магнитных зерен [Dunlop & Ozdemir, 2001]. При этом необходимо учитывать влияние суперпарамагнитных зерен, присутствующих в породе [Dunlop and Ozdemir, 2001]. При измерениях на коэрцитивном спектрометре удается получить кривые намагничивания суперпарамагнитных частиц. После достижения максимального поля намагничивания, в цикле спада поля измеряется поведение остаточной намагниченности, которая в отсутствии суперпарамагнитных и магнитовязких (малых) частиц должна оставаться постоянной. На практике, при изучении природных объектов обнаруживается спад Jr, который обусловлен наличием малых (суперпарамагнитных) частиц. В относительно малых полях (до 100мТ) эта кривая практически не искажена и может быть использована для оценки свойств суперпарамагнитных частиц.
