Первые результаты U-Pb (LA-ICP-MS) датирования детритовых цирконов из песчаников старопетровской свиты венда Волго-Уральского осадочного бассейна и потенциальные источники цирконовой кластики

Введение

Волго-Уральский осадочный бассейн расположен на восточной окраине Восточно-Европейской платформы (ВЕП). С запада бассейн ограничен выступами кристаллического фундамента, с востока – складчатыми структурами Урала.

Осадочные отложения Волго-Уральского бассейна вскрыты скважинами на различных глубинах (от 1,2 км до 3,7 км), где представлены неметаморфизованными толщами рифея, венда и фанерозоя, перекрывающими архей-раннепротерозойские метаморфические и магматические образования кристаллического фундамента.

Рифейский комплекс платформенных отложений образован в авлакогенных структурах в процессе рифтогенеза. Развитие вендских надрифтовых бассейнов связано с коллизионными процессами и формированием складчатой системы тиманид в области современного Урала (Пучков, 2010). Поздневендская орогения привела к существенному изменению структурно – тектонического облика юго-восточной окраины платформы и характера источников сноса обломочного материала (Пучков, Козлов, 2005).

Мощные комплексы терригенных пород венда на Южном Урале (ашинская серия Башкирского мегантиклинория) и на востоке ВЕП (каировская и шкаповская серии Шкапово-Шиханской впадины) имели длительную историю изучения, но их молассовая природа была обоснована Ю.Р. Беккером (1968, 1988 и ссылки там же). Позднее (Пучков, 2000, 2010; Сергеева и др., 2019) к типично молассовым образованиям были отнесены отложения только верхнего венда: басинская, куккараукская и зиганская свиты уральского разреза и их возрастные аналоги старопетровская, салиховская и карлинская свиты платформы.

Обоснование возраста платформенных образований венда до настоящего времени основывается на единственной датировке (579 млн лет, возраст по константам 1976 г.) по глаукониту из отложений старопетровской свиты (интервал глубин 1852,7–1858 м) в скважине 23 Мензелино-Актанышская (Казаков и др., 1967; Стратотип рифея…, 1983) и наличию вендского комплекса микрофоссилий (Лагутенкова и др., 1982; Янкаускас, 1982; Козлова, 1990).

Эта ситуация создает сложности при геологической интерпретации разобщенных разрезов скважин в регионе, их корреляции с опорными разрезами венда западного склона Южного Урала и выявлении источников обломочного материала в осадочный бассейн венда.

В последние годы при определении потенциальных источников кластики для терригенных толщ различных стратиграфических уровней используется U-Pb (LA-ICP-MS) изотопное датирование детритового циркона из псаммитовых пород. Некоторая информационная база геохронологических данных имеется к настоящему времени для отложений ашинской серии венда Южного Урала (Кузнецов и др., 2012; Разумовский и др., 2020; Рязанцев и др., 2023).

Целью работы является получение информации о возрасте детритового циркона из песчаников старопетровской свиты венда Волго-Уральского осадочного бассейна для суждений о возможных источниках цирконовой кластики в питающих провинциях. Для достижения цели авторами были поставлены задачи по выделению представительной монофракции циркона из песчаников старопетровской свиты и его последующее U-Pb датирование методом LA-ICP-MS, определение источников сноса на основе возрастных характеристик цирконовой кластики.

Литолого-стратиграфическая характеристика

В Волго-Уральском бассейне вендские отложения развиты в двух крупных краевых впадинах – Верхнекамской и Шкапово-Шиханской, разделенных Сарапульско-Яныбаевской седловиной (рис. 1).

Наиболее полно вендские отложения (V) представлены в разрезах глубоких скважин Шкапово-Шиханской впадины, где находятся все региональные стратотипы стратиграфических подразделений венда Волго-Уральской области (ВУО).

В Шкапово-Шиханской впадине выделены отложения нижнего (сергеевская свита каировской серии) и верхнего (байкибашевская и старопетровская свиты каировской серии, салиховская и карлинская свиты шкаповской серии) венда (табл. 1). Свиты связаны постепенными переходами; региональные несогласия наблюдаются в основании каировской серии, трансгрессивно перекрывающей различные образования рифея и кристаллического фундамента, и в кровле шкаповской, которая с глубоким размывом перекрыта отложениями палеозоя.

Сергеевская свита (V1sv) представлена аргиллитами, алевролитами и песчаниками преимущественно полевошпат-кварцевого состава, мощностью от 70 м до 545 м.

Байкибашевская свита (V2bc) сложена песчаниками полимиктовыми, полевошпат-кварцевыми, аркозовыми, субаркозовыми, разнозернистыми, содержащими примесь гравийно-галечникового материала и прослои алевролитов и аргиллитов. Значительные колебания мощности свиты (от 8–25 м до 85–190 м) и отсутствие ее в некоторых скважинах ВУО объясняются неровностями рельефа эродированной поверхности подстилающих отложений.

Старопетровская свита (V2sp) представлена неравномерным чередованием преимущественно серых песчаников и алевролитов полимиктового, полевошпат-кварцевого, аркозового и субаркозового состава и аргиллитов, часто темно-серых и черных, углеродсодержащих. Мощность свиты изменяется от 80 до 465 м.

Салиховская свита (V2sl) сложена разнозернистыми песчаниками и алевролитами полимиктового состава, с редкими прослоями аргиллитов. В крупнозернистых разностях отмечаются гравий и мелкая галька размером от 3х5–5х5 мм до 9х10х12 мм. Иногда гравелиты или мелкогалечниковые конгломераты обособлены в прослоях толщиной от 1–3 до 5–10 см. Красноцветные песчаники салиховской свиты служат своеобразным маркирующим горизонтом при межрегиональной корреляции верхневендских отложений ВУО. Мощность свиты 90–440 м.

Карлинская свита (V2kr) представлена аргиллитами, часто углеродистыми, с подчиненными прослоями полимиктовых и полевошпат-кварцевых алевролитов и песчаников (редко). Свита имеет значительные колебания мощности (от 100 до 610 м), что определяется глубиной предпалеозойского размыва.

Карлинская свита завершает разрез верхнего венда Шкапово-Шиханской впадины, суммарная мощность которого здесь изменяется от 150 до 1685 м.

Объект исследования

Красноусольская скважина, расположенная к югу от пос. Красноусольский Гафурийского района Республики Башкортостан в южной части Бельской депрессии Предуральского краевого прогиба (рис. 1), вскрыла достаточно мощный (1432 м) и стратиграфически полный разрез вендских отложений (рис. 2).

В качестве первоочередного объекта исследования были выбраны отложения старопетровской свиты венда, представляющие собой фрагмент «не складчатой» платформенной молассы (Беккер, 1968).

Старопетровская свита (V2sp) в изучаемой скважине выделена в интервале глубин 2575–3062 м, где представлена чередованием аргиллитов, полимиктовых песчаников и алевролитов, преимущественно серой окраски (рис. 2).

Аргиллиты темно-вишневые, прослоями зеленовато-серые со слабым голубоватым оттенком, участками пятнисто окрашенные (пятна вишневой и зеленой окраски), неравномерно алевритистые. Аргиллиты пронизаны тонкими трещинками, выполненными карбонатом и пиритом.

Песчаники полимиктовые, серые и темно-серые с буроватым оттенком, средне-, крупнозернистые, массивные, крепкие. В песчаниках наблюдаются волнистая, косослоистая и линзовидно-слоистая текстуры. Цемент в песчаниках глинистый поровый и кварцевый регенерационный, а в составе обломков отмечаются зерна эффузивных пород и крупные интракласты темно-вишневых аргиллитов.

В интервале глубин 2647–2657 м вскрыты преимущественно алевролиты полимиктовые, темно-вишневые, участками тонкослоистые за счет тонких прослоев зеленых аргиллитов и полимиктовых вишневых, зеленовато- и светло-серых песчаников. Мощность свиты 487 м.

Методы исследования

Для выделения циркона и последующего U-Pb датирования его методом LA-ICP-MS была отобрана штуфная проба SD-1-24 из полимиктового разнозернистого песчаника с глубины 2889,5 м (рис. 2) и измельчена до размера обломков <0,25 мм, отмучена в проточной водопроводной воде от глинистых частиц. Далее разделение минералов по удельному весу в тяжелой жидкости (бромоформ), магнитная и электромагнитная сепарации проведены по общепринятой методике (Кухаренко, 1961, Ляхович, 1981).

Монофракцию цирконов отбирали визуально под бинокулярным микроскопом ZEISS Stemi 2000-С (Carl Zeiss, Германия). Зерна цирконов помещались на клеепереносящую ленту, заливались в шашки эпоксидной смолой Struers (Дания), шлифовали примерно на треть-половину толщины зерна, затем проводили полировку поверхности.

Для определения морфологии и внутреннего строения цирконов использовались катодолюминесцентные изображения (CL) минералов, полученные с помощью микроскопа ZEISS Axio Lab A1 c катодолюминесцентной приставкой CITL MK5-2 (Carl Zeiss, Германия).

U-Pb изотопное датирование зерен циркона выполнено в научно-образовательном центре «Геотермохронологии» Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского (Приволжского) федерального университета (г. Казань).

Для проведения U-Pb датирования цирконов использовалась система лазерной абляции на основе эксимерного лазера (длина волны 193 нм) Analyte Excite (Teledyne Cetac Technologies, США), соединенная с квадрупольным масс-спектрометром с ионизацией в индуктивно-связанной плазме iCAP Qс (Thermo Fisher Scientific, Германия). В качестве газов-переносчиков были использованы: в лазерной установке – He и в масс-спектрометре – Ar жидкий.

Все измерения выполняли по массам 202Hg, 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 232Th, 235U, 238U. Измерение 235U изотопа не проводилось, а его содержание рассчитывалось из измеренного значения изотопа 238U, используя естественную распространенность 238U/235U = 137,818 (Hiess et al., 2012).

В качестве стандартов использовались международные эталонные образцы цирконов: 91500 – внешний стандарт, 1063 млн лет (Weidenbeck et al., 1995) и Plešovice – контрольный образец, 337 млн лет (Slama et al., 2008).

Обработка масс-спектрометрических данных, учет коррекций, выбор оптимального участка сигнала, расчет изотопных отношений (207Pb/206Pb, 206Pb/238U, 207Pb/235U, 208Pb/232Th) и соответствующих возрастов проводился с помощью программы Iolite 3.65, встроенной в Igor Pro 7 (Paton et al., 2010).

Расчет средневзвешенных значений возраста по изотопным отношениям, построение гистограммы относительной вероятности выполнялись в Microsoft Excel со встроенным пакетом Isoplot 4.15 (Ludwig, 2003). Для построения гистограммы использовались 206Pb/238U возрасты для цирконов моложе 1000 млн лет и 206Pb/207Pb возрасты для цирконов древнее 1000 млн лет с дискордантностью (D, %) в интервале –10%–10%. Измерения, где дискордантность >10%, исключались из выборки.

Обсуждение результатов изотопно-геохронологических определений

Исследуемые цирконы из песчаников старопетровской свиты верхнего венда (проба SD-1-24) представлены хорошо окатанными зернами, реже кристаллами со сглаженными ребрами. Окраска цирконов преимущественно бледно-розовая. По данным катодолюминесценции (CL) и оптической микроскопии цирконы имеют некоторые особенности внутреннего строения (рис. 3): в них присутствуют ядра, минеральные и газово-жидкие включения различной морфологии, часто наблюдаются зерна с отчетливыми зонами роста кристалла (рис. 3, n 94, 58). На поверхности некоторых зерен развиты углубления в виде ветвящихся каналов, которые могут быть интерпретированы как структуры растворения и/или трещины механической абразии (рис. 3, n 94). Размеры зерен колеблются от 0,05х0,05 до 0,125х0,25 мм.

Из пробы SD-1-24 проанализировано 100 зерен циркона (табл. 2) и получено 82 конкордантных значения возрастов. Измерения (18 анализов) с высокой степенью дискордантности исключены из рассмотрения (в таблицах зачеркнуты и выделены серым цветом).

Конкордантные возрастные датировки детритового циркона (n-82) охватывают широкий временной диапазон от 3247 млн лет до 577,8 млн лет (рис. 4) и отвечают определенным хроностратиграфическим уровням Стратиграфической шкалы (Стратиграфический…, 2019; Сергеева и др., 2021): архею нижнему (3247 млн лет, n – 1) и верхнему (2944–2660 млн лет, n – 5), нижнему протерозою (2507–1831 млн лет, n – 23); верхнему протерозою, включая рифей: нижний (1720–1472 млн лет, n – 10), средний (1390–1044 млн лет, n – 19), верхний (964–851 млн лет, n – 3), завершающий (736–653 млн лет, n – 6) и венд (645–577,8 млн лет, n – 15).

Значительная часть датировок dZr (3247 млн лет, n – 1, 2944–2660 млн лет, n – 5, 2507–1831 млн лет, n – 23) имеет архей-палеопротерозойский возраст. Наиболее вероятным источником цирконов данного возраста для осадочных пород старопетровской свиты являются архей-нижнепротерозойские образования Тараташского и Александровского метаморфических комплексов Южного Урала и выступы пород кристаллического фундамента Восточно-Европейской платформы.

Возраст образований Тараташского и Александровского метаморфических комплексов согласно изотопно-геохронологическим исследованиям составляет – 3500–1800,8 млн лет (Синдерн и др., 2006; Ронкин и др., 2007; Краснобаев и др., 2019; Тевелев и др., 2015). Архейский возраст кристаллических пород фундамента ВУО установлен на уровне 2,79 млрд лет по циркону U-Pb методом (Бибикова и др., 1984) и 2,95–2,65 млрд лет Pb-Pb термоизохронным методом по циркону из фундамента Южно-Татарского свода в разрезе скважины 20000 Минибаевская (Богданова, 1986).

Для раннерифейского временного интервала 1720–1472 млн лет (n – 10) в качестве источника детритового циркона могут рассматриваться базальты навышского вулканогенного комплекса (1752±11 млн лет), развитые в основании айской свиты нижнего рифея на Южном Урале (Краснобаев и др., 2013б) и базальты (1686±95, 1542±18 млн лет), вскрытые в скважине 203 Мензелино-Актанышская (рис. 1, табл. 1) в норкинской свите нижнего рифея ВУО (Козлов и др., 1995; Puchkov et al., 2013).

Среди изученных зерен циркона из песчаников старопетровской свиты пятая часть имеет среднерифейский (1390–1044 млн лет, n – 19) возраст, что указывает на присутствие в области размыва среднерифейских магматических комплексов, представленных на современной поверхности выравнивания на Южном Урале крупными интрузивными массивами (Бердяушский, Губенский, Рябиновский, Ахмеровский и др. (Puchkov et al., 2021 и ссылки там же)), дайками (Главная бакальская, Кусинская и др. (Ernst et al., 2006; 2008)) и машакским риолит-базальтовым комплексом (Краснобаев и др., 2011; Краснобаев и др., 2008). Формирование перечисленных магматических комплексов ограничено временными рамками 1385–1348 млн лет.

В пределах Волго-Уральской области надежные среднерифейские 1391–1386 млн лет изотопные U-Pb (SHRIMP-II) датировки по циркону и бадделеиту получены для даек, прорывающих нижнерифейские отложения норкинской и кабаковской свит и породы кристаллического фундамента в разрезах скважин 183 Мензелино-Актанышская (Puchkov et al., 2013) и 1 Восточно-Аскинская (Сергеева, Пучков 2016) (рис. 1, табл. 1).

Источники цирконов позднерифейского возрастного интервала 964–851 млн лет не установлены в местных питающих провинциях, но известны на северо-западе Восточно-Европейской платформы в пределах Свеко-Норвежской области гренвильского орогена. Доминирование детритового циркона этой достаточно удаленной области сноса ранее было отмечено для пород укской свиты верхнего рифея (Южный Урал), подстилающих вендские образования в регионе (Зайцева и др., 2022). Авторы допускают, что для старопетровской свиты источником цирконовой кластики могли быть магматические породы (1,22–0,95 млрд лет) Свеко-Норвежского орогена. Транспортировка обломочного материала от этого удаленного источника, вероятно, могла осуществляться крупной трансконтинентальной рекой.

На кривой плотности относительной вероятности (рис. 4) в возрастном интервале 736–653 млн лет (завершающий рифей – аршиний) выделяется пик 734 млн лет, который хорошо коррелируется с возрастом игонинских метабазальтов аршиния (732,1±1,7 и 707,0±2 млн лет) и гранитов Барангуловского (725,5±5 млн лет) и Мазаринского (745,8±4,9 млн лет) интрузивных массивов на Южном Урале и базальтов (734 млн лет) кипчакского вулканогенного комплекса, вскрытых скважиной 1 Кипчакская в пределах Волго-Уральской части ВЕП (Горожанин, 2009) (рис. 1, табл. 1).

Для ашинской серии венда, по данным (Кузнецов и др., 2012), источником dZr послужили кристаллические комплексы Протоуральско-Тиманского орогена (755–510 млн лет). Однако на Южном Урале тиманский орогенез, обусловленный коллизионными событиями (Пучков, 2010), начался значительно позднее 755 млн лет, нижнего рубежа Протоуральско-Тиманского орогена (Кузнецов и др., 2012). До начала коллизионных событий на Южном Урале (на восточной окраине Башкирского мегантиклинория) формируются вулканогенные (игонинский метабазальтовый комплекс с U-Pb SHRIMP-датировками по циркону 732,1±1,7 и 707,0±2,3 млн лет) и осадочные образования аршиния – стратона (750–640 млн лет), завершающего рифейскую эонотему (Козлов и др., 2011; Пучков и др., 2007; Краснобаев и др., 2012). Согласно представлениям (Пучков, 2016; Маслов и др., 2018), аршинские образования имеют рифтогенную природу и не могут принадлежать орогенному комплексу Протоуральско-Тиманского орогена.

Наиболее яркий пик 634 млн лет на кривой плотности относительной вероятности получен для детритовых цирконов старопетровской свиты в возрастном интервале (643–603 млн лет), который отвечает нижнему венду. Источники цирконовой кластики этого возрастного интервала для осадочных пород старопетровской свиты среди магматических комплексов местных питающих провинций в пределах Южного Урала и сопредельной части Восточно-Европейской платформы не выявлены, что, по-видимому, связано с недостаточной изученностью магматических комплексов этого временного интервала в регионах. Однако, на Приполярном Урале широко распространены I-граниты (от кварцевых диоритов до лейкогранитов) и связанные с ними вулканиты дифференцированных базальт-андезит-дацитовых серий с датировками по циркону в диапазоне от 695±19 до 515±8 млн лет, с подавляющим преобладанием вендских цифр (Соболева, 2004; Пучков, 2010). На Северном Тимане известны габброиды, сиениты и граниты, связанные с проявлением эпизода плюмового магматизма щелочной направленности (Андреичев, Соболева, 2023). Результаты датирования цирконов (Larionov et al., 2004; Andreichev et al., 2020; Андреичев и др., 2021) свидетельствуют о времени их формирования в интервале 617–600 млн лет. Вероятно, перенос кластического материала из перечисленных комплексов играл значительную роль при формировании отложений старопетровской свиты

Для единичных датировок 578 и 577 млн лет источником циркона мог быть материал вулканических извержений, происходивших в период формирования осадка. Эти датировки характеризуют нижний возрастной предел старопетровской свиты и достаточно уверенно сопоставляются с басинской свитой Южного Урала, имеющей надежные оценки возраста (577–573 млн лет) по циркону из пепловых туфов (Рязанцев и др., 2023).

Выводы

В результате U-Pb (LA-ICP-MS) изотопно-геохронологических исследований детритовых цирконов из песчаников венда в разрезе скважины Красноусольская впервые получена информация о возрасте пород – источников цирконовой кластики для отложений старопетровской свиты Волго-Уральского осадочного бассейна.

Особенности распределения возрастных популяций детритовых цирконов из песчаников старопетровской свиты показали, что обломочный материал поступал в Волго-Уральский бассейн преимущественно за счет местных питающих провинций.

В качестве источников цирконовой кластики для палеопротерозойских и архейских (3247, 2944–2660 и 2507–1831 млн лет) возрастных популяций цирконов для осадочных пород старопетровской свиты предполагаются архей-нижнепротерозойские образования Тараташского и Александровского метаморфических комплексов Южного Урала и выступы пород кристаллического фундамента юго-восточной части Восточно-Европейской платформы

Для цирконов с возрастами 1720–1472 млн лет в качестве источника цирконового детрита рассматриваются базальты навышского вулканогенного комплекса (1752 млн лет) на Южном Урале, а также базальты актанышского вулканогенного комплекса, вскрытые в скважине 203 Мензелино-Актанышская в ВУО (рис. 1, табл. 1).

Среди источников dZr для рассматриваемых отложений важная роль принадлежит среднерифейским магматическим комплексам (1400–1030 млн лет), развитым на Урале и в Волго-Уральской области (дайки в разрезе скважин 183 Мензелино-Актанышская и 1 Восточно-Аскинская, рис. 1, табл. 1).

Популяция dZr в возрастных границах 736–653 млн лет могли формироваться за счет разрушения в области сноса метабазальтов и габбро игонинского комплекса и гранитов Барангуловского и Мазаринского массивов на Южном Урале, а также базальтов кипчакского вулканогенного комплекса, вскрытых скважиной 1 Кипчакская ВУО (рис. 1, табл. 1).

Для цирконов с возрастными датировками в интервале 964–851 млн лет не установлены источники цирконовой кластики в местных питающих провинциях. Допускается, что источником цирконовой кластики (964–851 млн лет) могли быть магматические породы (1,22–0,95 млрд лет) Свеко-Норвежского орогена.

Источники цирконов с вендскими датировками (643–603 млн лет) среди магматических комплексов местных питающих провинций не выявлены в пределах южной части Урала и сопредельной части Восточно-Европейской платформы, но установлены на Приполярном Урале и Северном Тимане.

Для единичных датировок 578 и 577 млн лет источником циркона мог быть пепловый материал вулканических извержений в период формирования осадков старопетровской свиты. Эти датировки характеризуют нижний возрастной предел старопетровской свиты и позволяют коррелировать её с басинской свитой Южного Урала, имеющей надежную оценку возраста (577–573 млн лет) по циркону из пепловых туфов.

Полученные данные свидетельствуют о необходимости дальнейших изотопно-геохронологических исследований вендских отложений для решения стратиграфических задач, уточнения времени и условий формирования вендских отложений в Волго-Уральском осадочном бассейне. Именно с вендскими отложениями связаны на платформе многочисленные проявления нефти и газа, что делает вендские отложения привлекательным объектом на поиски углеводородов в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции с развитой инфраструктурой.

Финансирование/Благодарность

Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда № 24-27-00311, https://rscf.ru/project/24-27-00311/.

Авторы выражают благодарность рецензентам за рассмотрение рукописи и полезные рекомендации, которые позволили улучшить текст и презентацию материала.