СКОРОСТЬ И УСЛОВИЯ НАКОПЛЕНИЯ ПОЗДНЕКАЙНОЗОЙСКИХ ОСАДКОВ ПОДНЯТИЯ МЕНДЕЛЕЕВА: Sr-ИЗОТОПНАЯ И δ18О ХЕМОСТРАТИГРАФИЯ

Е. А. Гусев 1, А. Б. Кузнецов 2, Е. Е. Талденкова 3, С. Д. Николаев 3, А. Ю. Степанова 4, Е. С. Новихина1

скачать *pdf

УДК 551.79:563.12:550.93:551.352(268)

1 - ВНИИОкеангеология

2 – Институт геологии и геохронологии докембрия РАН, Санкт-Петербург

3 – Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет, Москва

4 – Техасский A&M Университет, Колледж Стейшн, США

 

   

Донные осадки поднятия Менделеева, изученные по колонке AF-0731 комплексом методов, свидетельствуют о нескольких эпохах высокой биопродуктивности, которые совпадали со стадиями потепления и прогревом водной массы Арктики. В эти периоды осадки обогащались как карбонатными микрофоссилиями, так и крупнозернистым обломочным IRD материалом, который оседал на дно в результате таяния дрейфующего льда и айсбергов. Вариации δ18О карбоната планктонных фораминифер также свидетельствуют о смене ледниковых и межледниковых эпох и характеризуются низкими значениями в периоды оледенений и, особенно, терминаций и поступления талых ледниковых вод, и повышенными значениями в периоды межледникового подъема уровня моря и роста солености за счет усиления водообмена с соседними океанами. Измерены значения 87Sr/86Sr в фораминиферах из основания разреза, что позволило рассчитать SIS-возраст (670+50 тыс. лет). Скорость накопления донных осадков поднятия Менделеева в месте отбора колонки AF-0731 варьировала в пределах 0.4-0.6 см/тыс. лет.

Ключевые слова: поднятие Менделеева, стронциевая изотопная хемостратиграфия, фораминиферы, IRD, изотопный состав С и О.


Изотопные характеристики (значения 87Sr/86Sr, δ18О и δ13С) карбоната ископаемых фораминифер играют ведущую роль в корреляции позднекайнозойских океанических осадков и реконструкции палеофациальных условий их накопления [Pillans, Gibbard, 2012]. Современные масс-спектрометры способны измерять изотопный состав Sr и О в известковых остатках с точностью, которая позволяет различать дискретные климатические стадии даже в пределах плейстоцена [Чернышев и др., 2000; McArthur et al., 2001; Polyak et al., 2004]. В этой работе определен изотопный состав Sr в карбонате арктических ископаемых фораминифер, а полученное значение 87Sr/86Sr в них впервые использовано для уточнения возраста и скорости накопления плейстоценовых осадков поднятия Менделеева. Анализ вариаций δ18О и δ13С в карбонате планктонных и бентосных фораминифер из донных осадков этого поднятия позволил проследить климатически обусловленные гидрологические изменения в арктических водах в течение плейстоцена.

Реконструкция условий накопления позднекайнозойских осадков Амеразийского бассейна Северного Ледовитого океана имеет важное значение для понимания цикличности и скорости глобальных изменений климата Земли. Однако из-за сложной ледовой обстановки и труднодоступности региона эти осадки изучены пока еще очень слабо. Для осадков, поднятых грунтовыми трубками в глубоководных частях Арктики, предложены две стратиграфические модели: "древняя" [Гусев и др., 2012; 2013; Данилов и др., 1991; Пискарев и др., 2013; Clark et al., 1980; Not, Hillaire-Marcel, 2010] и "молодая" [Крылов и др., 2011; Adler et al., 2009; Polyak et al., 2004 и др.]. Первая опирается на палеонтологические находки, палеомагнитные данные и U-Th датировки, указывающие на принадлежность донных осадков к эпохе Брюнес вплоть до границы с эпохой Матуяма (около 800 тыс. лет назад). Вторая модель предполагает относительно высокую (1.5 см/тыс. лет) скорость накопления осадочной толщи, нижние слои которой коррелируются с морской изотопной стадией МИС-7 (около 240 тыс. лет назад). В рамках этой модели формы древних (раннеплейстоценовых) фораминифер и диатомей считаются переотложенными. Концепция "молодой" модели опирается главным образом на радиоуглеродные и оптико-люминесцентные датировки, аналитический предел которых позволяет датировать минералы и органические остатки моложе 50 и 150 тыс. лет, соответственно. Обе модели правомерны, при этом "молодая" модель становится все более популярной [Крылов и др., 2011; Adler et al., 2009; Polyak et al., 2004 и др.]. Для уточнения возраста и состава отложений нами проведено дополнительное изучение осадков в одной из колонок, полученных в ходе рейса научно-экспедиционного судна «Академик Федоров» в 2007 году.

Колонка AF-0731 поднята с глубины 2280 м на восточном склоне поднятия Менделеева в точке с координатами 78°37′48.9″ с.ш. и 171°56′52.1″ з.д. (рис. 1). Общая мощность осадков в колонке составляет 355 см. Фрагменты керна длиной 4 см были отобраны с интервалом 10-20 см и сразу заморожены. После транспортировки они были высушены под вакуумом, взвешены и промыты на ситах с диаметром 63, 125, 250 и 500 мкм. В крупной фракции >500 мкм были выделены песчано-гравийные зерна, во фракции >250 мкм были извлечены створки остракод, а во фракции >125 мкм – раковины фораминифер. Анализ минерального состава зерен и видового разнообразия микрофауны проведен под бинокуляром. Для изотопного анализа было отобрано 20-30 раковин фораминифер соответствующих видов из фракции >125 мкм. Изотопный состав С и О определен на масс-спектрометре Finnigan Delta IV Plus в Гельмгольц-центре по исследованию океана в г. Киль (GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Германия).

Рисунок 1

Концентрация и изотопный состав Sr в карбонате раковин фораминифер определены из двух аликвот, полученных при растворении одной микронавески (4 мг). Образец был предварительно промыт очищенной водой в ультразвуковой ванне, а затем растворен в 0.5N HCl по методике [Кузнецов и др., 2012]. Изотопный состав Sr измерен на многоколлекторном масс-спектрометре Triton TI. Средние значения 87Sr/86Sr в стандартных образцах SRM 987 и EN-1, нормализованные к отношению 86Sr/88Sr 0.1194, составляли в период работы соответственно 0.710279±0.000008 и 0.709206±0.000009 (2SYMBOL 115 \f "Symbol" \s 12sсредн., n = 6). Все измеренные значения 87Sr/86Sr в образцах корректированы на значение 87Sr/86Sr в стандарте EN-1 = 0.709175.

Колонка AF-0731 сложена семью слоями (мощностью от 6 до 50 см) коричневых алевропелитов, разделенных слоями серых пелитов (от 8 до 50 см). Песчано-гравийный материал (фракция >500 мкм) представлен преимущественно обломочным кварцем, а также обломками силикатных и карбонатных пород. Присутствие грубозернистых частиц в глинистом осадке указывает на их транспортировку айсбергами и морским льдом в ходе ледового разноса (Ice Rafted Debris IRD). Большинство интервалов, обогащенных IRD (мощностью от 8 до 42 см), совпадает со слоями коричневых пелитов (рис. 2). При этом самый нижний интервал IRD (325-330 см) содержит много кварцевых зерен, а три верхних слоя (35-40, 130-135 и 234-238 см) – обогащены карбонатными обломками. Такие же "карбонатные" слои белого и розового цвета прослеживаются в осадках из других точек Амеразийского бассейна (рис. 1) – в северной части поднятия Менделеева (колонка AF-00-07, [Крылов и др., 2011]), на абиссальной равнине Менделеева (колонки PS72/392-5 [Stein et al., 2010] и AF-00-02 [Крылов и др., 2011]) и в южной части поднятия Менделеева (колонки HLY-0503-6JPC [Cronin et al., 2013], HLY-0503-8JPC [Adler et al., 2009], NP-26 [Polyak et al., 2004]).

Рисунок 2

В образцах выявлено 88 форм бентосных фораминифер, из которых 53 определены до вида [Гусев и др., 2012; 2013]. Наибольшую долю в сообществе составляют глубоководные виды – Oridorsalis tener (40-100%), Fontbotia wuellerstorfi (до 50%) и Ioanella tumidula (до 30%). Представители семейства Miliolidae являются сопутствующими видами. Среди планктонных фораминифер в разрезе господствует арктический вид Neogloboquadrina pachyderma sin. Максимальное количество бентосных (50-300 раковин/г) и планктонных (4000-12000 раковин/г) фораминифер обнаружено в слоях коричневых пелитов (рис. 2). Ископаемые остракоды в колонке AF-0731 имеют хорошую сохранность и разнообразны в видовом отношении. Наиболее высокой численности (до 1500 створок/100 г) и разнообразия (12-13 видов на образец) они достигают в двух верхних интервалах (рис. 2). В нижней части разреза отмечаются три интервала (115-160, 190-255 и 305-355 см), в которых остракоды присутствуют в количестве менее 200 створок/100 г. Среди ископаемых остракод преобладают глубоководные виды арктического рода Cytheropteron.

Следует отметить, что увеличение видовой численности и видового разнообразия планктонных и бентосных фораминифер синхронно с остракодами и наблюдается в одних и тех же слоях, сложенных коричневыми пелитами (рис. 2). Этот факт указывает на наличие нескольких стадий высокой биопродуктивности, охватившей как неритовую, так и батиальную зоны.

Два образца раковин планктонных фораминифер, отобранных из нижней части колонки, были изучены с помощью метода стронциевой изотопной хемостратиграфии (SIS). Микроколичество (4 мг) отобранных раковин не позволило провести стандартный геохимический анализ для оценки степени сохранности Sr-изотопной системы [Кузнецов и др., 2012]. Однако ряд признаков указывает на отсутствие диагентической перекристаллизации известковых раковин: 1) донные осадки колонки AF-0731 никогда не попадали в область циркуляции континентальных и метеорных вод; 2) образцы захоронены в осадке на глубине 3.5 м, что значительно выше зоны минеральной трансформации осадок-порода (обычно ниже 100 м); 3) концентрация Sr (1150-1210 мкг/г) в изученных раковинах сравнима с таковой в современных фораминиферовых илах [Кузнецов и др., 2012]. Отношения 87Sr/86Sr в двух образцах (0.709151 и 0.709154) согласуются в пределах аналитической точности приборных измерений (табл. 1). Среднее значение 87Sr/86Sr в образцах пересчитанное в возрастные единицы согласно алгоритму LOWESS 4b/5 равно 670+50 тыс. лет назад [McArthur et al., 2001].

Таблица 1

Изотопный состав кислорода и углерода был определен в карбонатных раковинах планктонных (Neogloboquadrina pachyderma sin.) и бентосных (Oridorsalis tener) фораминифер. Значения δ18О планктонных фораминифер варьируют от 0.1 до 3.9‰, а в бентосных фораминиферах – от 4.0 до 4.4‰. Очень малая (0.4‰) амплитуда вариаций δ18О в последних отражает постоянство среды в придонных водах. В отличие от этого, широкие вариации δ18О карбоната планктонных фораминиферах характеризуют значительные изменения температуры и солености в поверхностном слое океана. Расчет равновесной температуры, при которой кристаллизовался кальцитовый скелет фораминифер, показывает, что температура придонного слоя оставалась в пределах 0.5-2оС в плейстоцене. При этом температура поверхностного слоя могла меняться от 2 до 17оС. Последнее значение нереально высокое и маловероятно, что вода в Арктике могла прогреваться до столь высоких температур. Это означает, что в периоды перехода к межледниковьям (терминациям) вода в зоне обитания Nachyderma sin. (80-150 м) была значительно опреснена за счет таяния континентальных ледников, паковых льдов и айсбергов. В то же время, в отличие от других океанов планеты, в замкнутом Северном Ледовитом океане в периоды межледниковий, которые в исследуемой колонке примерно соответствуют коричневым прослоям с повышенным содержанием микрофоссилий, δ18О планктона увеличивался (рис. 2), что связано с относительным увеличением солености вод, благодаря подъему уровня Мирового океана, установлению связи с Тихим и усилением водообмена с Атлантическим океанами [Polyak et al., 2004]. Интересно, что одновременно с утяжелением δ18О планктона наблюдается утяжеление изотопного состава углерода как у планктона, так и у бентоса (рис. 2). В первом случае, это, вероятно, свидетельствует об увеличении продуктивности поверхностных вод при менее сплоченном ледовом покрове, а во втором – об одновременном улучшении вертикальной циркуляции и лучшем водообмене между поверхностными и придонными водами.

Таким образом, осадки поднятия Менделеева документируют несколько эпох высокой биопродуктивности, которые совпадали со стадиями потепления и прогревом водной массы Арктики. В периоды потепления осадки обогащались как органическим веществом, так и обломочным IRD материалом (особенно в периоды терминаций), который оседал на дно в результате таяния ледового покрова дрейфующих льдов и айсбергов. Корреляция донных осадков Арктики посредством измеренных значений 87Sr/86Sr в фораминиферах применена впервые в отечественной практике. Полученный SIS-возраст ископаемых фораминифер (670+50 тыс. лет назад) согласуется с U-Th датировкой осадка, содержащего органические остатки, в ~710 тыс. лет назад (неопубликованные данные Ф.Е.Максимова). Это подтверждает, что осадки нижней части колонки AF-0731 относятся к раннему неоплейстоцену. При этом скорость накопления нижних слоев осадка варьировала в пределах 0.5-0.6 см/тыс. лет, что близко к скорости седиментации верхних слоев 0.44 см/тыс. лет (см. [Гусев и др., 2013]). Эти выводы склоняют принять "древнюю" модель, разработанную более 30 лет назад [Данилов и др., 1991; Clark et al., 1980 и др.].

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусев Е.А., Максимов Ф.Е., Новихина Е.С., Кузнецов В.Ю., Левченко С.Б., Жеребцов И.Е., Баранова Н.Г. К вопросу о стратиграфии донных осадков поднятия Менделеева (Северный Ледовитый океан) // Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2012. № 4. С. 102-115.

2. Гусев Е.А., Максимов Ф.Е., Кузнецов В.Ю., Басов В.А., Новихина Е.С., Куприянова Н.В., Левченко С.Б., Жеребцов И.Е. Стратиграфия донных осадков Поднятия Менделеева (Северный Ледовитый океан) // ДАН. 2013. Т. 450. № 5. С. 573-578.

3. Данилов И.Д., Телепнев Е.В., Чугунов А.Б., Беляева Н.В., Хусид Т.А., Вирина Е.И., Полякова Е.И. Результаты палеогеографического изучения донных осадков центральной части Северного Ледовитого океана (хребет Менделеева) // Океанология. Т. 31. Вып. 1. 1991. С. 108-116.

4. Крылов А.А., Шилов В.В., Андреева И.А., Миролюбова Е.С. Стратиграфия и условия накопления верхнечетвертичных осадков северной части поднятия Менделеева (Амеразийский бассейн Северного Ледовитого океана) // Проблемы Арктики и Антарктики. 2011. № 2(88). С. 7-22.

5. Кузнецов А.Б., Семихатов М.А., Горохов И.М. Изотопный состав Sr в водах Мирового океана, окраинных и внутренних морей: возможности и ограничения Sr-изотопной хемостратиграфии // Стратиграфия. Геол. корреляция. 2012. Т. 20. № 6. С. 3-19.

6. Пискарев А.Л., Андреева И.А., Гуськова Е.Г. Палеомагнитные данные о скорости осадконакопления в районе Поднятия Менделеева (Северный Ледовитый океан) // Океанология. 2013. Т. 53. № 5. С. 694-704.

7. Чернышев И.В., Шатагин К.Н., Гольцман Ю.В. Высокоточная калибровка стандартных образцов изотопного состава стронция с помощью многоколлекторного масс-спектрометра // Геохимия. 2000. № 12. С. 1280-1285.

8. Adler R.E., Polyak L, Ortiz J.D., Kaufman D.S., Channell J-E.T., Xuan Ch., Grottoli A.G., Sellйn E., Crawford K.A. Sediment record from the western Arctic Ocean with an improved Late Quaternary age resolution: HOTRAX core HLY0503-8JPC, Mendeleev Ridge // Global and Planetary Change. 2009. V. 68. P. 18-29.

9. Clark D.L., Whitman R.R., Morgan K.A., Mackey S.D. Stratigraphy and glacial-marine sediments of the Amerasian Basin, Central Arctic Ocean // Geol. Soc. Am. Spec. Pap. № 181. 1980. 57 p.

10. Cronin T.M., Polyak L., Reed D., Kandiano E.S., Marzen R.E., Council E.A. A 600-ka Arctic sea-ice record from Mendeleev Ridge based on ostracodes // Quaternary Science Reviews. 2013. Vol. 79. P. 157-167.

11. McArthur J.M., Howarth R.J., Bailey T.R. Strontium isotope stratigraphy: LOWESS version 3: Best fit to the marine Sr-isotope curve for 0-509 Ma and accompanying look-up table for deriving numerical age // J. Geol. 2001. V. 109. № 2. P. 155-169.

12. Not C., Hillaire-Marcel C. Time constraints from 230Th and 231Pa data in late Quaternary, low sedimentation rate sequences from the Arctic Ocean: An example from the northern Mendeleev Ridge // Quaternary Science Reviews. 2010. V. 29. P. 3665-3675.

13. Pillans B., Gibbard P. The Geological Timescale. Chapter 30. 2012. P. 979-1010.

14. Polyak L., Curry W.B., Darby D.A., Bischof J., Cronin T.M. Contrasting glacial/interglacial regimes in the western Arctic Ocean as exemplified by a sedimentary record from the Mendeleev Ridge // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2004. V. 203. P. 73-93.

15. Stein R., Matthiessen J., Niessen F., Krylov A., Nam S-il, Bazhenova E. Towards a better (litho-) stratigraphy and reconstruction of Quaternary paleoenvironment in the Amerasian Basin (Arctic Ocean) // Polarforschung. 2010. V. 79. P. 97-121.

 

  

  

 

 

Ссылка на статью: 

Гусев Е.А., Кузнецов А.Б., Талденкова Е.Е., Николаев С.Д., Степанова А.Ю., Новихина Е.С. Скорость и условия накопления позднекайнозойских осадков Поднятия Менделеева: Sr-изотопная и δ18О-хемостратиграфия // Доклады Академии наук. 2017. Т. 473. № 3. С. 336-340.



 



eXTReMe Tracker


Flag Counter

Яндекс.Метрика

Hosted by uCoz