Современные масс-спектрометры позволяют измерять изотопный состав Sr в карбонатных образцах, не затронутых вторичной перекристаллизацией, с точностью, которая дает возможность различать осадки даже в пределах четвертичного времени [1–3]. Кроме того, значения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в карбонатных осадках в совокупности со значением δ¹⁸О позволяют получать информацию о вариациях солености бассейнов. В нашей работе впервые изучен изотопный состав Sr, О, С в карбонатных раковинах моллюсков, выделенных в “древних” четвертичных отложениях Северной Карелии. Проведено сравнение полученных изотопных характеристик со значениями ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и δ¹⁸О в современных карбонатных моллюсках из морских и пресных бассейнов Северной Европы. На этих данных обосновано наличие морских и пресноводных форм в четвертичных отложениях Карелии. Впервые посредством метода стронциевой изотопной хемостратиграфии (SIS) установлен плейстоценовый возраст для ископаемых моллюсков Беломорья.

Четвертичные отложения на территории Карелии залегают на разнообразных породах раннего докембрия. Основная часть четвертичного чехла сформирована в ходе деградации Скандинавского оледенения и постледниковых процессов последних 9–15 тыс. лет. Наиболее молодые отложения имеют мощность несколько десятков метров и слагают современные ландшафтные формы. Именно эти отложения, представляющие классическую область развития позднеплейстоценовых оледенений, хорошо изучены предшественниками [4, 5]. Однако «древние» четвертичные отложения, которые встречаются на территории Карелии и содержат морскую раковинную фауну, исследованы значительно хуже. Они были условно отнесены к микулинскому горизонту, который предшествует этапам формирования валдайских и голоценовых осадков [4, 6, 7].

Наиболее известный разрез микулинского горизонта Карелии расположен на правом берегу р. Гридина в 5 км юго-западнее пос. Гридино Кемского района (рис. 1). Местонахождение этого разреза установили ученые ИГ КарНЦ РАН В.В. Травин, О.Б. Лавров. Алевритовые глины темно-серые, мощностью 2–3 м и перекрываются валдайским моренным комплексом (рис. 2). В микулинских отложениях присутствуют небольшие линзы, содержащие раковинный детрит (ракуша). В одной из мощных линз была отобрана объемная (2 кг) проба, из которой после просеивания были выделены раковины.

Карбонатные раковины имеют хорошую сохранность и нередко представлены скрепленными правой и левой створками. Среди выделенных раковин диагностированы представители двустворчатых пелециод – Astarte borealis (Schumacher), Astarte alaskensis (Dall), Mytilus edulis (Linnaeus), Hiatella arctica (Linnaeus), Plicatula (Lamark) и представители гастропод - Alaba (Аdams), Natica russa (Gould), Planorbis. Многие раковины размером 1-5 мм. Такие же мелкие раковины Mytilus распространены в северной части Балтийского моря. Самые крупные экземпляры Mytilus edulis и Astarte borealis выделены в Гридино (20-25 мм). Однако даже эти раковины меньше современных арктических аналогов, средний размер которых 50-70 мм [8]. Большинство видов двустворчатых моллюсков диагностируют как обитателей морских обстановок, тогда как гастроподы могли обитать в мелководных водоемах вблизи побережья.

Наличие бореальной фауны в осадках Карелии указывает на затопление территории между Балтийским и Белым морями и образование архипелага по типу Аландского. Малый размер раковин предполагает, что соленость в бассейне обитания была ниже, чем в океане. Сегодня опресненные бассейны широко развиты на периферии Фенноскандинавского щита. Например, внутриконтинентальное Белое море имеет соленость 26‰, а Балтийское - 4-8‰. Проследить связь солености бассейна и его Sr, О изотопных характеристик позволяет анализ раковин современных моллюсков, специально отобранных из крупных морских и пресных бассейнов этого же региона - Норвежского, Белого, Балтийского морей, Финского залива, р. Нева, Ладожского озера (рис. 1).

Изотопный состав Sr, С, О определяли в карбонатном материале каждого выделенного вида/рода. Измельченные фрагменты раковин промывали очищенной водой, после чего растворяли в 0.5N HCl. Содержание Sr в образцах определяли масс-спектрометрическим методом изотопного разбавления. Изотопный состав Sr измеряли на многоколлекторном масс-спектрометре Triton TI. Средние значения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в образцах SRM 987 и EN1, нормированные к ⁸⁶Sr/⁸⁸Sr = 0.1194, равнялись соответственно 0.710275±0.000008 (2σs_средн, n = 54) и 0.709202 ± 0.000006 (2σs_средн, n = 26). Воспроизводимость ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в повторных опытах была сопоставима с погрешностью измерения (табл. 1). Изотопный состав С, О определяли на комплексе аппаратуры Thermoelectron, включающей масс-спектрометр Delta V Advаntage и установку Gas-Bench-II. Разложение проб и стандартов С-О-1, NBS-19 проводили в Н₃РО₄ при 50°C. Значения δ¹⁸О, δ¹³C приведены в промилле относительно стандарта V-PDB. Воспроизводимость определения δ¹⁸О, δ¹³C в стандартах ±0.2 и ±0.1‰ соответственно.

Изученные раковины микулинского горизонта сложены арагонитом, а некоторые экземпляры сохранили первичную перламутровую окраску внутренней поверхности. Концентрация Sr (980–1720 мкг/г) во всех типах раковин сравнима с содержанием Sr в раковинах современных морских моллюсков – 1600 ± 300 мкг/г [3]. Измеренное ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в большинстве раковин двустворчатых пелеципод заключено в узких пределах 0.709168–0.709172, значения δ¹⁸О в них от –1.4 до –0.5‰. По сравнению с пелециподами ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в раковинах гастропод и мелкой раковине Plicatula значимо выше (0.709180–0.709215), а значения δ¹⁸О (от –2.5 до –2.0‰) ниже (рис. 3). Вероятно, гастроподы и Plicatula обитали в наиболее опресненных частях четвертичного бассейна или строили раковину в сезон его максимального опреснения.

Сравнение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в раковинах современного океана, заливов Норвегии и опресненного Белого моря показывает, что эти значения не отличаются в пределах погрешности измерения (табл. 1). Небольшое различие (на 0.00002) наблюдается во внутренних морях, разбавленных до 11–18‰ (Черное, Азовское [3]). Отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в опресненном до 8‰ Балтийском море отличается от такового в океане уже на 0.00020, при этом значения δ¹⁸О ниже на 4–5‰ PDB (табл. 1). Резкие изменения содержания Sr и ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в карбонатных раковинах моллюсков отмечены при понижении солености водоемов до 1‰. Так, концентрация Sr в карбонатных раковинах Невы и Ладожского озера в 4 раза ниже, чем в морских раковинах, а ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr увеличиваются до 0.71486 и 0.72222 (табл. 1). Заметное понижение δ¹³С наблюдается в раковинах моллюсков, обитающих в водоемах с соленостью ниже 1-4‰. Однако значения δ¹³C в раковинах коррелируются с ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr несколько хуже, чем значения δ¹⁸О (табл. 1). Это связано с тем, что изотопный состав С в осадочных карбонатах контролируется не только смешением речных и морских вод, но и изотопным обменом между растворенным неорганическим углеродом и СО₂ атмосферы. В частности, этим объясняется более высокое значение δ¹³C в Ладожском озере, чем в Неве.

Используя уравнение двухкомпонентного смешения [9] и Sr изотопные характеристики, мы вычисляли соленость палеобассейна. В качестве исходных изотопно-геохимических параметров приняты характеристики океанической воды рисс-вюрмского времени, с одной стороны, и Ладожского озера, с другой. Выбор этого озера в качестве конечного члена в линии смешения «океан – пресная вода» обусловлен тем, что оно представляет усредненный водосбор поверхностных потоков Северо-Западного региона, который сложен архей-протерозойскими породами Фенноскандинавского щита и палеозойскими породами Русской платформы. Таким образом, конечной точкой в смеси для пресноводного резервуара взято ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.7222 (табл. 1). Отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в морской воде четвертичного бассейна принимали равным 0.709168 как минимальное в раковинах Astarte borealis (табл. 1) при условии, что соленость этого бассейна совпадала с соленостью современного Белого моря.

Проведенные расчеты показали, что заложенные параметры удовлетворительно описывают смешение вод в природной системе озеро-залив-море (рис. 3). Модельные расчеты, выполненные для раковинной фауны разреза Гридино, предполагают, что большинство раковин гастропод и мелкая Plicatula обитали в водоеме, соленость которого была на 5–10‰ ниже, чем соленость бассейна, в котором обитали пелециподы (табл. 1). Таким образом, для оценки ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в морской воде микулинского времени следует брать только те значения, которые получены для двустворчатых моллюсков – 0.709168–0.709172. Сравнение полученных Sr-изотопных данных с ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в позднекайнозойском океане [1] показывает, что наиболее вероятный возраст двустворчатых раковин 90–210 тыс. лет (рис. 4). Этот интервал представляет осадки между днепровским и валдайским оледенениями. Среднее значение вероятного возраста равно 150±40 тыс. лет, что с учетом аналитических погрешностей допускает позднерисское и микулинское время для формирования изученных отложений.

Всего лишь в одном обнажении «древних» четвертичных отложений Северной Карелии выявлено богатое разнообразие раковинной фауны. Широкое представительство морских форм в разрезе Гридино указывает на возможность более точно оконтурить границы и возраст древних морей или проливов. Впервые на примере раковинной фауны Гридино использован метод SIS для корреляции отложений четвертичного времени. С помощью метода SIS обоснован довалдайский возраст отложений, а вариации значений ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и δ¹⁸О в раковинах показали изменения в солености палеобассейна.

Авторы благодарны М.Э. Криван за помощь в оформлении. Работа выполнена в рамках Программы ОНЗ РАН № 4 и при финансовой поддержке РФФИ (проект 13–05–01059).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Бискэ Г.С. Четвертичные отложения и геоморфология Карелии. Петрозаводск, 1959. 307 с.

5. Экман И.М. Четвертичная система. Геология Карелии. Л.: Наука, 1987. С. 79-93.

6. Говберг Л.И. Распределение моллюсков в толще голоценовых осадков Белого моря // Океанология. 1970. Т. 10. № 5. С. 837-848.

7. Демидов И.Н. Четвертичные отложения. Разнообразие биоты Карелии: условия формирования, сообщества, виды. Петрозаводск: Кар НЦ РАН, 2003. С. 19-27.

8. Bennike O., Abrahamsen N., Bak M., et al. A multi-proxy study of Pliocene sediments from Île de France, North-East Greenland // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2002. V. 186. P. 1-23.

9. Фор Г. Основы изотопной геологии. М.: Мир, 1989. 590 с.

Ссылка на статью:

Кузнецов А.Б., Макарихин В.В., Покровский Б.Г., Константинова Г.В. ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и δ¹⁸О хемостратиграфия и фациальные условия обитания плейстоценовых моллюсков Карелии (пос. Гридино) // Доклады РАН. 2014. Т. 459. № 2. С. 198-202.