Литогеохимия и условия формирования отложений верхнего венда и нижнего кембрия северо-запада Балтийской моноклинали
В.Н. Подковыров, Л.Н. Котова
Институт геологии и геохронологии докембрия Российской академии наук, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2
Проведено литохимическое изучение пограничных верхневендских -- нижнекембрийских отложений Балтийской моноклинали в разрезах скважин Ленинградской области и северо-востока Эстонии в объеме редкинского, котлинского и лонтоваского горизонтов. Выявлены как общие особенности, так и отличия в породных ассоциациях отдельных горизонтов в различных скважинах, что является следствием локальных вариаций условий осадконакопления. Отложения редкинского горизонта, вскрытые только в скважинах центральной и восточной частей региона представлены умеренно глубоководными песчано-глинистыми осадками небольшой мощности. Накопление редкинских отложений происходило в дисокисных и аноксических обстановках с выраженными процессами бактериальной сульфатредукции и пиритизации осадков. Отложения котлинского горизонта представлены двумя группами пород. Преобладают в разрезах скважин на востоке и западе Ленинградской области разнообразные песчано-алевритовые породы, представляющих прибрежно-морские отложения окислительных обстановок в бассейне. В разрезах центральной части Балтийской моноклинали (р-н г. Санкт-Петербурга) распространены тонкозернистые глубоководные осадки дисокисных и железистых аноксических обстановок с заметным накоплением сидерита. Морские песчано-глинистые отложения лонтоваского горизонта нижнего кембрия имеют сходные литохимические характеристики с котлинскими отложениями «восточных» и «западных» разрезов территории, но формировались в условиях некоторого дефицита кислорода (дисокисные фации). Петрохимический анализ кернового материала показал, что все изученные отложения относятся к литогенным осадкам, в которых не наблюдается присутствия вулканогенного или пирогенного материала. Формирование осадочной последовательности верхнего венда -- нижнего кембрия Балтийской моноклинали происходило в условиях пассивного континентального режима при постепенной смене гумидных климатических обстановок семиаридными.
Ключевые слова: литогеохимия, обстановки осадконакопления, терригенные породы, верхний венд, нижний кембрий, Балтийская моноклиналь, Восточно-Европейская платформа.
Lithogeochemistry and depositional environments of sedimentary rocks of the upper Vendian and lower Cambrian of the North-West Baltic monocline
V. N. Podkovyrov, L. N. Kotova
Institute of Precambrian Geology and Geochronology of the Russian Academy of Sciences, nab. Makarova, St. Petersburg, 199034, Russian Federation
A lithochemical and chemostratigraphic study of the boundary Upper Vendian-Lower Cambrian deposits of the Baltic monocline in the well sections of Leningrad Oblast and northeastern Estonia was carried out in the volume of the Redkino, Kotlin and Lontova horizons. Both common features and differences in the rock associations of individual horizons in different wells are revealed, which is a consequence of local variations of sedimentation conditions. The deposits of the Redkino horizon uncovered in the central and eastern parts of the region are characterized by a similar composition of rocks, represented by moderately deep-water sandy-clayey sediments of small thickness, formed in disoxidic and anoxic environments with pronounced processes of bacterial sulfate reduction. The deposits of the Kotlin horizon are represented by two groups of rocks. In the sections of wells in the east and west of Leningrad Oblast, a variety of sandy-siltstone rocks, representing coastalmarine sediments of oxidative conditions in the basin, predominate. In sections of the central part of the Baltic monocline (district of St. Petersburg), fine-grained deep-water disoxic and ferrigenous anoxic environments with a marked accumulation of siderite are common. Marine sandy-clay deposits of the Lontova horizon of the Lower Cambrian have similar lithochemical characteristics with the Kotlin deposits of the “eastern” and “western” sections of the territory, but they were formed under conditions of some oxygen deficiency (disoxic facies). Petrochemical analysis of core material showed that all the sediments studied belong to lithogenic sediments in which no presence of volcanic or pyrogenic material is observed. The formation of the sedimentary sequence of the Upper Vendian-Lower Cambrian of the Baltic monocline took place under the conditions of a passive continental regime with a gradual change of humid climatic conditions with semiarid ones.
Keywords: lithogeochemistry, sedimentation conditions, terrigenous rocks, Upper Vendian, Lower Cambrian, Baltic monocline, East European platform.
Введение
Балтийская моноклиналь является краевой северо-западной частью Московской синеклизы, где базальные отложения венд-кембрийского осадочного чехла Восточно-Европейской платформы (ВЕП) залегают на небольших глубинах и слабо изменены вторичными процессами (Аксенов, 1985), что создает благоприятные предпосылки для изучения истории их формирования. Отложения переходных горизонтов верхнего венда -- нижнего кембрия Балтийской моноклинали на северо-западе ВЕП представлены валдайской и балтийской сериями (Решения..., 1965). Валдайская серия на данной территории, трансгрессивно перекрывающая дорифейский кристаллический фундамент ВЕП, охватывает редкинский и котлинский горизонты верхнего венда (Аксенов, 1985; Гниловская и др., 1979; Палеогеография., 1980; Хераскова и др., 2005; Гражданкин и Маслов, 2015). Балтийская серия в изученных разрезах Балтийской моноклинали включает ломоносовскую и сиверскую свиты лонтоваского горизонта нижнего кембрия на территории России (Решения., 1965; Келлер и Семихатов, 1979) и лонтоваскую свиту одноименного горизонта на территории Эстонии (Meidla, 2017).
Нами проведено литохимическое изучение пограничных отложений верхнего венда и нижнего кембрия Балтийской моноклинали Московской синеклизы на основе анализа образцов, отобранных из скважин (рис. 1) на территории Ленинградской области и прилегающей части северо-востока Эстонии. Эти отложения охватывают интервал редкинского и котлинского горизонтов верхнего венда и лонтоваского горизонта нижнего кембрия (рис. 2). Сопоставление разрезов проведено с учетом имеющихся современных представлений по стратиграфии отложений верхнего венда и нижнего кембрия данной территории (Вербицкий и др., 2012; Meidla, 2017), особенностей распределения палеонтологических остатков (Голубкова и др., 2016; 2018; Кушим и др., 2016), имеющихся данных по Rb-Srи Sm-Nd-возрастам генераций глинистых минералов пород (Горохов и др., 2007) и полученных в последнее время данных о возрастах обломочных цирконов в отложениях редкинского, котлинского и лонтоваского горизонтов (Ивлева и др., 2016; 2018; Ershovaet al., 2019).
Литостратиграфия отложений верхнего венда -- нижнего кембрия
Осадочный чехол Балтийской моноклинали начал формироваться в позднем венде, когда морской бассейн охватил большую часть северо-запада Восточно-Европейской платформы (Палеогеография., 1980; Аксенов, 1985; Хераскова и др., 2005). Отложения редкинского горизонта, выделенные в старорусскую свиту, залегают в пределах Ленинградской области с несогласием на породах докембрийского фундамента Балтийского щита или же на нижнерифейских отложениях Пашского грабена (Вербицкий и др., 2012; Купцова и др., 2011; Жамойда, 2011; Максимов и др., 2015). Трансгрессивная последовательность умеренно глубоководных морских отложений старорусской свиты представлена в основании чередованием конгломератов и грубозернистых полимиктовых песчаников, вверх по разрезу замещающихся средне-мелкозернистыми песчаниками, а в кровле -- глинами с прослоями алевропесчаников. Мощность свиты, полого погружающейся на юго-восток, составляет от 40-45 м в скв. Уткина-заводь и Шоткуса-1 до 60 м в скв. Костово-13 (рис. 1). Данные, полученные при изучении комплексов микрофоссилий в отложениях старорусской свиты, определяют ее принадлежность к редкинскому горизонту (Кушим и др., 2016). На территории Эстонии редкинские отложения в настоящее время не выделяются (Менс и Пиррус, 1986; 1987; Meidla, 2017).
Рис. 1. Схематическая геологическая карта северо-востока Балтийской моноклинали (а), по (Вербицкий и др., 2012; Подковыров и др., 2017) с изменениями, положение исследованных скважин. Схема сопоставления и глубины выделенных стратиграфических горизонтов в изученных скважинах Балтийской моноклинали (б) а: 1 -- архей-протерозой; 2 -- верхний венд (котлинский горизонт); 3-5 -- кембрий (на территории Эстонии не расчлененный): 3 -- нижний кембрий (ломоносовская свита); 4 -- нижний кембрий (сиверская, люкатиская и тискреская свиты); 5 -- средний-верхний кембрий (саблинская и ладожская свиты); 6 -- ордовик; 7 -- средний-верхний девон; 8 -- каменноугольные отложения нерасчлененные; 9 -- положение исследованных скважин. б: ГК -- скважина Геолкома, 1920-е гг., стратотип василеостровской свиты котлинского горизонта. Горизонты: rd -- редкинский, kt -- котлинский, ln -- лонтоваский
Рис. 2.Стратиграфическая схема отложений верхнего венда и нижнего кембрия Балтийской моноклинали северо-запада ВЕП, по (Гражданкин и Маслов, 2015; Маслов и др., 2019) с изменениями
балтийский моноклиналь геохимический терригенный
На севере и северо-востоке Балтийской моноклинали (Ленинградская область) к котлинскому горизонту относятся василеостровская и воронковская свиты (Вербицкий и др., 2012; Максимов и др., 2015). На территории Эстонии к данному горизонту относятся (рис. 2) гдовская, котлинская и воронковская свиты (Менс и Пиррус, 1987; Meidla, 2017). Василеостровская свита залегает согласно на старорусских отложениях в восточной части территории (скв. Шоткуса-1) (Кушим и др., 2016; Подковыров и др., 2017) или же непосредственно на породах фундамента в северозападной части Ленинградской области (Вербицкий и др., 2012; Максимов и др., 2015; Подковыров и др., 2017) и на территории Эстонии (гдовская свита) (Менс и Пиррус, 1986; 1987). Отложения нижней части свиты мощностью 15-30 м, представлены переслаиванием мелкозернистых песчаников и алевролитов с тонкими слоями зеленовато-серых глин. Верхняя часть свиты сложена тонко переслаивающимися сероцветными алевролитами и глинами (ламинаритовые глины) с линзами и прослоями сидерита. Общая мощность свиты варьирует от 100 до 150 м.
Возраст василеостровской свиты однозначно не установлен, однако в верхней ее части (скв. Коровье-8) наиболее молодые конкордантые датировки обломочных цирконов группируются в интервале 536-545 млн лет (Ивлева и др., 2016; 2018; Подковыров и др., 2017; Ershovaet al., 2019) и присутствуют остатки организмов, характерных для раннекембрийского времени, в первую очередь уплощенных органостенных Ceratophyton (Кушим и др., 2016). Трансгрессивно-регрессивный цикл седиментации котлинского времени завершается отложениями воронковской свиты, мощностью 10-20 м. (Палеогеография.., 1980). Свита сложена внизу пестроцветными тонкослоистыми глинами и алевролитами, содержащими в базальной части разреза песчаные и гравийные зерна, вверху -- белыми мелкозернистыми кварцевыми песками и алевролитами (Вербицкий и др., 2012; Гаген-Торн, 2016).
Нижняя граница кембрия (535 млн лет) согласно ОСШ России (Общая стратиграфическая..., 2016) в данном регионе определяется по региональному несогласию в подошве балтийской серии (т. е. по нижней границе ломоносовской или же лонтоваской свиты, Эстония) и появлению на этом уровне остатков скелетных организмов, характерных ихнои фитофоссилий (Менс и Пиррус, 1971; 1987; Вербицкий и др., 2012; Голубкова и др., 2016; MensandPirrus, 1997). Эстонские геологи оценивают возраст подошвы лонтоваской свиты (Isozaki et al., 2014; Poldevere et al., 2014) в 529 млн лет.
Ломоносовская (лонтоваская) свита нижнего кембрия лежит с несогласием на воронковской свите в западной части региона (скв. Пюсси, Вайкла-24), а восточнее г. Санкт-Петербурга (скв. Коровье-8) на песчано-глинистых отложениях василеостровской свиты (Вербицкий и др., 2012; Подковыров и др., 2017). Свита мелководно-морского генезиса сложена мелкозернистыми полевошпатово-кварцевыми песчаниками и алевролитами в основании, трансгрессивно замещающимися переслаиванием глин и алевролитов в верхней части последовательности. Мощность свиты колеблется от 5 (скв. Уткина заводь) до 15-20 м (скв. Коровье-8).
Сиверская свита, согласно залегающая на ломоносовской, представлена толщей мощностью от 70 до 120 м серо-голубых глин с редкими и тонкими слоями алевролитов, формировавшихся в умеренно мелководном морском бассейне с элементами стратификации и сероводородного заражения вод (Вербицкий и др., 2012; Максимов и др., 2015).
Минералогическое и Rb-Srи Sm-Nd-изотопное изучение «голубых глин» лонтоваского горизонта балтийской серии нижнего кембрия выявило существование двух генераций иллита (Gorokhovet al., 1994; Горохов и др., 2007). Первая из них (аутигенная) позволила оценить возраст раннего диагенеза (близкого к седиментации) раннекембрийских глинистых осадков -- около 533 ± 8 млн лет (Gorokhovet al., 1994). Вторая крупнозернистая генерация иллита с небольшой примесью хлорита (детритовая) являлась результатом преобразования пород в областях сноса. Rb-Srи Sm-Nd-возрасты детритовой генерации показали, что минимальный возраст размываемых пород северо-западных районов Восточно-Европейской платформы был заключен в пределах 790-720 млн лет (Горохов и др., 2007).
Выполненное в последние годы U-Pb-датирование обломочных цирконов из песчаников пограничных венд-кембрийских осадочных образований ЛадожскоЛужской моноклинали (Ивлева и др., 2016; 2018; Ershovaet al., 2019) позволило оценить вклад различных источников сноса в формировании платформенных отложений Балтийской моноклинали. Редкинские и большая часть котлинских отложений характеризуются преобладанием цирконов палеопротерозойского возраста с подчиненным количеством цирконов мезопротерозойского возраста. В песчаниках верхней части разреза котлинских отложений (скв. Коровье-8, гл. 232 м) (Ивлева и др., 2016), как и вышележащих отложениях лонтоваской свиты нижнего кембрия преобладают обломочные цирконы мезопротерозойского возраста с появлением значимой популяции цирконов неопротерозойского, а также и раннекембрийского возраста (Ивлева и др., 2018; Ershovaet al., 2019). Это свидетельствует, что в позднем венде основной питающей провинцией для северо-западных районов Русской платформы являлись кристаллические породы Балтийского щита с возрастов более 1.5 млрд лет, а в раннем кембрии и, по-видимому, даже в конце котлинского времени наряду с породами фундамента к ним добавились другие источники, вероятнее всего Тиманский ороген на северо-востоке ВЕП (Ивлева и др., 2018; Ershovaet al., 2019).
Ранее для отдельных разрезов Балтийской моноклинали на основе анализа литохимических индикаторов состава и условий формирования глинистых пород было проведено сопоставление их с другими осадочными последовательностями котлинского «кризисного» этапа верхнего венда Восточно-Европейской платформы с целью определения обстановок формирования отложений и взаимосвязи с ними эволюции биоты (Маслов и др., 2018; 2019). В задачу наших исследований входил анализ вариаций и трендов изменения литохимических характеристик всего спектра терригенных пород пограничных отложений верхнего венда и нижнего кембрия Балтийской моноклинали, которые позволяют в той или иной мере судить об общих обстановках осадконакопления, палеоклимате, геодинамике и составе пород на палеоводосборах (Маслов, 2005). Исследования основаны на данных, полученных при изучении керна скважин Ленинградской области: Шоткуса-1, Коровье-8, Костово-13, Уткина заводь, и на территории северо-восточной Эстонии скважин Пюсси и Вайкла-24 (рис. 1).
Фактический материал и методика исследования
В основу настоящей работы положены данные о содержании главных породообразующих окислов для 250 образцов из всего спектра пород, вскрытых при бурении шести скважин. Часть аналитического материала взята из банка данных PRECSED ИГГД РАН (1994) (скв. Костово-13, Пюсси), другая часть аналитики была получена в последние годы в химических лабораториях ВСЕГЕИ (г. СанктПетербург) (скв. Шоткуса-1, Коровье-8) и ИГГ УрО РАН (г. Екатеринбург) (скв. Уткина заводь). Данные по скв. Вайкла-24 (Эстония) были заимствована из работы Л. Сепп (Sepp, 2016).