CC BY
33
УДК 548.4
геологические и палеонтологические свидетельства раннекембрийских экосистем гидротермального типа (пример из колчеданного кызыл-таштыгского рудного поля, тывА)
А. В. Каныгин1, А. А. Терлеев1, В. А. Симонов2, Д. А. Токарев1, С. И. Ступаков2
1 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, Новосибирск; [email protected] 2 Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, Новосибирск; [email protected]
Геологическая история экосистем пригидротермального типа представляет особый интерес для изучения закономерностей эволюционного процесса. В настоящей статье приводятся геологические и палеонтологичесикие свидетельства раннекембрийских экосистем гидротермального типа из туматтайгинской свиты колчеданного Кызыл-Таштыгского рудного поля, Тыва.
Ключевые слова: Юго-Восточная Тыва, ранний кембрий, туматтайгинская свита, гидротермальное поле, базальты, миндалины, микрофоссилии.
geologigal and paleontological evidence of eaely cambrian hydrothermal type ecosystems (KyzyL-TASHTyG PYRiTE ORE FIELD, TYVA)
A. V. Kanygin, A. A. Terleev, V. A. Simonov, D. A. Tokarev, S. I. Stupakov
1 Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics Sibirian Branch of RAS, Novosibirsk; [email protected] 2 Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk; [email protected]
Geological history of hydrothermal type ecosystems is of special interest to study the regularities of the evolutionary process. This article presents geological and paleontological evidence of early cambrian ecosystems hydrothermal type of tumattayginskaya formation of pyrite Kyzyl-Tashtyg ore field, Tuva.
Keywords: Southeast Tyva, Early Cambrian, tumattayginskaya formation, hydrothermal field, basalts, amygdule, microfossils.
В последние годы быстро нарастает поток публикаций по биогеологии — новому научному направлению, которое по сути является развитием биогеохимической концепции функционирования биосферы В. И. Вернадского на современном уровне знаний о ее геологической истории. В нашей стране эти исследования существенно активизировались в рамках крупной междисциплинарной программы РАН № 15 «Происхождение и эволюция гео-биологических систем», в которой принимают участие ведущие специалисты геологического, биологического и химического профилей из многих академических институтов и университетов страны от Москвы до Владивостока. Академик
Н. П. Юшкин, которому посвяща-
ется этот спецвыпуск журнала, является одним из активных разработчиков общей концепции программы (как участник инициативной группы по ее подготовке) и руководителем направления «Безматричный синтез органических соединений на биоминеральных системах, биоминералы и биоминералогия». В этой области академик Н. П. Юшкин является одним из пионеров и мировых лидеров. К этому направлению тесно примыкает блок программы «Коэволюция абиотических и биотических процессов», так как при изучении общих закономерностей эволюции органического мира на экосистемном уровне, особенно ее ранних этапов, по данным геологической летописи выявилась тесная взаимосвязь эволюции живых
систем от прокариотного уровня до формирования высокоорганизованного биоразнообразия фанерозой-ского типа с эволюцией геохимического субстрата жизни.
Геологическая история экосистем пригидротермального типа представляет особый интерес для изучения закономерностей эволюционного процесса, так как накопленные к настоящему времени данные по таксономическому составу, темпам эволюции и структурно-функциональной организации этих экосистем в современных и древних океанах показывают, что их можно рассматривать как альтернативную модель эволюции жизни по сравнению с обычными экосистемами [7]. Главными особенностями этих экосистем являются: 1) эндогенная хе-
мотрофная природа первичной продукции (а не экзогенная фотосинте-тическая, как у обычных аквальных и наземных экосистем); 2) тесная пространственная связь с высокотемпературными гидротермальными источниками, приуроченными к зонам активного вулканизма (излияниям лав) и сульфидного рудо-образования; 3) автономное функционирование и локальное их распространение в виде оазисов среди «нормальных» морских биотопов; 4) аномально высокая биопродуктивность; 5) бактериотрофная основа пищевых цепей; 6) прерывистое кратковременное существование (в масштабе геологического времени); 7) стабильность физико-химических условий среды и трофической основы функционирования живых систем, лимитирующей процесс их эволюции.
Типовыми примерами древнейших пригидротермальных сообществ являются местонахождения биот силурийского и девонского возраста на Урале, наиболее детально изученные палеонтологическими, геохимическими, петроло-го-минералогическими и фациаль-но-литологическими методами [4]. Постепенно накапливаются данные об открытиях в других регионах мира биот такого же типа в вулканогенно-гидротермальных формациях палеозойского, мезозойского и кайнозойского возрастов [3].
Обнаруженное в Туве местонахождение пригидротермальной биоты на Кызыл-Таштыгском свинцово-цинковом колчеданном месторождении является наиболее древним в фанерозое среди известных по опубликованным данным. Раннекембрийский возраст этой биоты установлен по комплексу археоциат Nochoroicyathus khemtschikensis Vol., 1940, N. polyseptatus Vol., 1940, Dokidocyathus sp., Rotundocyathus sp. nov., совместно с которыми встречаются водоросли Renalcis sp., Epiphyton sp. [2].
В настоящей статье приводятся данные о впервые обнаруженных здесь следах микробиальных сообществ, аналогичных по основным диагностическим признакам микро-фоссилиям из древнейших (начиная с архея) и современных подводных вулканических пород, главным образом из базальтов. Обоснованию их биогенной природы посвящено множество публикаций (см., например, [6, 8] с обширными библиографическими списками).
Кызыл-Таштыгское месторождение совместно с рудопроявления-ми Каровым, Перевальным и другими входит в состав Кызыл-Таштыг-ского рудного поля (рис. 1, 2). По
48'
/ Jomck Новосибирсі<~^~-— ___Краснояр ж \ Северное 1 Прибайкалье
Кемерово Северобай кальск
' * / Россия \ Зепадное $ f Забайкалье
& • -9 v Н --4 / V-.,-- Кызыл» Щ Иркутск*^ • Монголия t \ *Ула1-Удэ
84° 96° 108*
Рис. 1. Местонахождение Kызыл-Taштыгcкoгo рудного поля (Восточная Тыва)
Рис. 2. Литолого-стратиграфический разрез Кызыл-Таштыгского рудного поля и
местонахождение биоты 1 — метаморфические сланцы; 2—7 — лавы и туфы: 2 — миндалекаменные базальты, анде-зибазальты, диабазы, 3 — они же подушечные, 4 — дациты, риодациты, 5 — риолиты, рио-дациты, 6 — туфы основного состава, 7 — туфы кислого состава; 8 — экструзивно-субвулка-нические образования дацитов, риодацитов, риолитов; 9, 10 — поздние субвулканические интрузии: 9 — диабазы, габбро, габбро-диабазы, габбро-нориты, 10 — риолитовые, риода-цитовые порфиры, гранит-порфиры; 11, 12 — дайки: 11 — диабазы, диабазовые порфириты, микродиориты, 12— риолитовые, риодацитовые порфиры, гранит-порфиры; 13—18 — туф-фиты, вулканомиктовые и осадочные породы: 13 — туффиты, 14 — вулканомиктовые песчаники, алевропесчаники, 15 — углеродисто-кремнистые, карбонатно-глинисто-кремнистые сланцы, алевропелиты, алевролиты, 16 — известняки, мраморы, 17 — гематито-крем-нистые породы, 18 — рудокласты на различных уровнях; 19—21 — гидротермалиты и руды: 19 — кварциты, кварц-серицитовые, хлорит-тальковые и хлорит-доломитовые гидротермалиты, 20 — баритовые и барит-полиметаллические жилы, 21 — колчеданно-полиметаллические руды. Рисунок построен на основе данных Кузебного и др., 1990, дополнен авторами.
структурным, петрохимическим, минералогическим особенностям и составу руд оно рассматривается как аналог гидротермальных полей современных океанов [1, 5]. Разрез рудного поля включает вулканогенные комплексы базальтов и риоли-тов, выше которых залегают тер-ригенно-карбонатные отложения.
Рудовмещающая туматтайгинская свита состоит из двух толщ. Нижняя толща мощностью 1200—1500 м сложена лавами базальтов с горизонтами и пачками вулканокластических брекчий. Состав толщи выдержан по площади, лишь в ее восточной части отмечается появление горизонтов пирокластов и известняков. Верхняя толща мощностью 1500—2000 м имеет сложный состав и неоднородна по латерали. Набор пород включает базальты, андезитобазальты, дациты и риолиты, вулканомиктовые брекчии и туфы соответствующего состава. Осадочные отложения представлены углеродистыми алевролитами, песчаниками, силицитами, известняками (рис. 2).
В результате исследований магматических пород из верхней толщи туматтайгинской свиты, где располагается палеогидротермальное поле собственно месторождения Кызыл-Таштыг с промышленными колчеданно-полиметаллическими рудами, в миндалинах из базальтов были найдены микробные организмы (микро-фоссилии).
Детально изученные нами образцы представляет собой фактически гидротермальную брекчию (рис. 3, А). Обломки базальтов размерами до 5 см с миндалинами, в которых обнаружены микрофосси-лии (рис. 3, 4), сцементированы гидротермальным материалом карбонатного состава с альбитом. В этом преимущественно карбонатном матриксе находятся также дезинтегрированные (как бы «тающие», растворяющиеся) реликты (размерами до нескольких миллиметров) интенсивно хлоритизированных и альби-тизированных базальтов. Судя по структурным особенностям и минеральному составу, данные брекчии с обломками миндалекаменных базальтов формировались в активной зоне дробления и проникновения гидротермальных растворов, что указывает на их явную связь с Кызыл-Таштыгским гидротермальным рудным полем.
Базальтовые обломки из гидротермальной брекчии насыщены округлыми миндалинами диаметром до 1 мм, заполненными микрозер-нистой серой массой, кристаллитами полевого шпата, эпидота и кли-ноцоизита. Обычно в центральных частях миндалин наблюдаются свет-
Рис. 3. Внутреннее строение гидротермальной брекчии (А) и миндалин (Б, В, Г) в базальтовых обломках: Б, В — буквами обозначены альбит (А), эпидот (Э) и карбонат (К); Г — миндалины, заполненные альбитом (1) и карбонатом (2). Снимки В, Г сделаны при скрещенных николях
Рис. 4. Микрофоссилии в миндалинах из базальтов Кызыл-Таштыгского рудного поля (А—Д), а также микроорганизмы в базальтовых стеклах из офиолитов Троодоса (Кипр) и из современной океанической коры (Е) [6].
лые прозрачные кристаллики полевого шпата в ассоциации со светло-зелеными кристаллическими фазами эпидота (рис. 3, Б). Иногда альбит располагается по краям, а в центре миндалины — эпидот с яркими цветами при скрещенных николях. На стенках наиболее крупных миндалин формируются друзы кристалликов (до 0.7 мм) альбита, а центр заполнен кристаллическим карбонатом. В более мелких миндалинах видны нарастание альбита на стенках и заполнение их центров карбонатом (рис. 3, В). Таким образом, кристаллы полевого шпата развивались на стенках миндалин в свободном пространстве, которое впоследствии было заполнено карбонатом. Вероятно, это происходило во время цементации базальтовых обломков карбонатной массой.
Рис. 5. Исследования миндалин с помощью сканирующего электронного микроскопа: А — вид миндалины с микрофоссилиями в проходящем свете; Б — вид миндалины с микрофоссилиями; В — увеличенный фрагмент (см. снимок Б) участка с микроорганизмами. Цифрами обозначены точки анализов химического состава микроорганизмов (2, 3, 4, 5, 7) и заполнения миндалины (1, 6, 11, 12)
10
На рис. 3, Г наблюдаются две расположенные рядом миндалины с разным наполнением: первая (1) заполнена измененными кристаллами полевого шпата с трубчатыми микрофоссилиями, вторая (2) — карбонатом. Увеличенные изображения трубчатых микрофоссилий в миндалине 1 показаны на рис. 4 (А—Д). Для миндалин с карбонатным наполнением характерны измененные с неровными зубчатыми границами микрофоссилии, находящиеся в кристаллическом карбонате, содержащем флюидные включения.
Детальное изучение шлифов под микроскопом показало, что трубчатые микрофоссилии располагаются в основном в миндалинах с альбито-вым наполнением, а редкие микрофоссилии в карбонатизированных миндалинах явно подвергались преобразованиям.
Микрофоссилии коричневато-зеленого цвета обычно располагаются равномерно по объему миндалины, часто контактируя одним концом с ее границей (рис. 4, А—В). Они имеют нитчатую форму с диаметром микротрубочек от 5 до 25, при длине до 500 мкм. Нити встречаются прямые, изогнутые и ветвящиеся (рис. 4, Г). На этом же рисунке видно строение трубок и тонкие более темные стенки микрофоссилий, в редких случаях наблюдают-
ся пережимы и «сегментированное» строение нитей (Д). По внешним характеристикам изученные нами микрофоссилии очень близки к описанным ранее микроорганизмам (рис. 4, Е) [6].
Анализ на электронном сканирующем микроскопе LEO 1430 VP (Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск) показал (см. рис. 5, 6 и таблицу), что серая микрозернистая масса, заполняющая основной объем миндалин (рис. 5), соответствует по химическому составу альбиту (точки анализов 1, 6, 11, 12 на рис. 5, В). Светлые кристаллики, занимающие центр миндалины (рис. 5, А), представлены альбитом. Исследования показали (точки анализов 2—5, 7 на рис. 5, В), что материал, из которого выполнены трубчатые микрофоссилии, по своему химическому составу наиболее близок к эпидоту. Таким образом, миндалины и находящиеся в них микрофоссилии выполнены минеральным веществом, формирование которого, судя по альбит-эпидотовому составу, явно связано с гидротермальными процессами, воздействовавшими на базальты.
Учитывая микроскопические
размеры и простую морфологию трубок микрофоссилий, а также сходство с современными трубчатыми
Л
О
Na
:а
С
1(1)
Са
I ■ ■ ' ■ I ■ ■ ■ ■ I
5 10 15
-ull Scale 4222 cts Cursor: 0.000
'—г 20 keV
1(5)
№
:а ;
с
Fe
1
Ca Fe
> 5 10 15 20
"ull Scale 4222 cts Cursor: 0.000 keV
Si 2(2)
Al
0
Mg
Ti
;a
с Ca
Fe
Fe
iU lTi I
I 5 10 15 -ull Scale 4222 cts Cursor: 0.000 20 keV
Si 2(7)
0
Al
Mg
Ti
;a
с Ca
|pe
Fe h
\[f
5 10 15 20
-ull Scale 4222 cts Cursor: 0.000 keV
Рис. 6. Результаты анализа на сканирующем микроскопе:
1 — кристалликов альбита, 2 — эпидота; 3, 4 — микрозернистой массы, заполняющей основной объем миндалин (3) и трубчатые микроорганизмы (4)
микроорганизмами, их можно условно отнести к Cyanobacteria.
Судя по предыдущим публикациям, микроскопические организмы, подобные исследованным нами в базальтах из Кызыл-Таштыгского рудного поля, характерны для древних и современных океанов. В частности, трубчатые микрофосси-лии были обнаружены в базальтовых стеклах из офиолитов Троодоса (Кипр) и из современной океанической коры. Как видно на рис. 4, Е, эти трубчатые образования по форме и размерам полностью идентичны изученным нами микрофоссили-ям (рис. 4, А—Д). Близкие по форме трубчатые организмы, связанные
с океаническими базальтовыми комплексами, отмечаются и в других публикациях [6, 8].
Нахождение микроорганизмов в миндалинах базальтов, т. е. в замкнутом пространстве без доступа света, указывает на их вероятную хе-мотрофную природу. Возможно несколько вариантов появления этих организмов в миндалинах: 1) проникновение клеток по трещинам и их дальнейшее развитие в миндалинах; 2) при остывании лавы идет процесс всасывания в пустоты (миндалины) морской воды, с которой попадают и цианобактерии (в настоящее время известно, что цианобактерии могут существовать при
Химический состав миндалин в базальтах Кызыл-Таштыгского рудного поля,
мас. %
№ п/п Номер анализа SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O V2O5
1 1 68.79 0.00 19.38 0.00 0.00 0.34 11.49 0.00
2 2 39.68 0.44 19.47 13.27 3.90 23.24 0.00 0.00
З 11 68.38 0.00 19.38 0.00 0.00 0.43 11.57 0.24
4 12 68.53 0.00 19.74 0.23 0.00 0.18 11.31 0.00
З 1 68.04 0.00 19.40 0.52 0.00 0.30 11.75 0.00
б 6 68.37 0.00 19.53 0.00 0.00 0.15 11.95 0.00
7 2 39.63 0.51 14.82 18.74 3.31 22.62 0.00 0.37
8 3 40.86 0.54 14.65 17.95 4.08 21.47 0.00 0.46
9 4 39.96 0.66 15.15 18.12 3.11 22.10 0.47 0.43
1O 5 39.67 1.02 15.32 17.52 3.10 23.01 0.00 0.36
11 7 39.46 0.64 14.67 18.57 4.34 21.79 0.00 0.53
Примечание. Номерами по порядку обозначены: 1, 2 — кристаллики альбита (1) и эпидота (2) в центре миндалины (см. рис. 5, Б); 3—6 — микрозернистая масса, заполняющая основной объем миндалин (рис. 5, В); 7—11 — трубчатые микрофосси-лии (рис. 5, В). Суммарное содержание приведено к 100 %. Составы фаз в миндалинах определены на электронном сканирующем микроскопе LEO 1430 VP (ИГМ СО РАН, г. Новосибирск).
Рис. 7. Первичные флюидные включения в карбонате из миндалин
температурах выше 100 °С, т. е. они образуются практически синхронно с формированием миндалин); 3) эн-долитическая природа этих микро-фоссилий, о чем свидетельствует во многих случаях их контакты со стенками миндалин.
При выборе возможного сценария развития изученных нами микроорганизмов необходимо учитывать то, что базальты с миндалинами находились в тесной пространственной ассоциации с гидротермальными системами, действовавшими при формировании Кызыл-Таштыгского рудного поля. Об этом свидетельствует и структура детально изученного образца, представляющего собой фактически гидротермальную брекчию с обломками миндалекаменных базальтов, сцементированных преимущественно карбонатной массой. О влиянии гидротерм говорит и характер заполнения миндалин с микрофоссилиями, соответствующего по у составу ассоциации альбит—эпидот. Необходимо отметить, что микрофоссилии хорошо сохраняются в миндалинах с аль-битовым наполнением и начинают разрушаться в карбонатных миндалинах.
Прямую информацию об особенностях гидротермальных процессов, воздействовавших на базальтовые комплексы, вмещающие Кызыл-Таштыгское рудное поле, содержат флюидные включения в кристаллическом карбонате, заполняющем значительную часть миндалин в рассмотренных базальтах.
Изученные нами первичные флюидные включения размером 3—20 мкм располагаются полосами (прямолинейными зонами) в кристаллах карбоната, заполняющих миндалины. Включения в основном обладают ограненными формами, а прямоугольные таблички часто заполнены светлой прозрачной жидкостью, в которой располагается круглый газовый пузырек (рис. 7).
Включения исследовались методами термобарогеохимии. Эксперименты с включениями проводились в среднетемпературной микротермокамере и в криокамере оригинальных конструкций в лаборатории геодинамики и магматизма Института геологии и минералогии СО РАН.
При охлаждении в криокамере было установлено, что растворы во включениях, резко замораживаются при температурах от —31 до —33 °С. При нагреве первые порции жидкости (эвтектика) появлялись в диапазоне от —24 до —25 °С. Это свидетельствует о преобладании в растворах №С1 с возможной примесью КС1. Последние кристаллики во включениях плавились при температурах
------------------------------И
от —0.9 до —2.3 °С. Соленость, рассчитанная по этим данным, оказалась в пределах 1.4—3.5 мас. % №С1-эквивалента.
Эксперименты в микротермокамере установили основной диапазон температур гомогенизации флюидных включений: 120—180 °С.
Таким образом, исследования флюидных включений показали, что базальты, содержащие микрофосси-лии в миндалинах, находились под воздействием гидротермальных растворов с минимальными температурами 120—180 °С, по составу (№С1) и солености (около 3.5 мас. %) соответствующих морской воде. Эти физико-химические параметры близки по своим значениям к характеристикам части гидротермальных систем, формировавших сульфидные руды Кызыл-Таштыгского месторождения [5].
Работа выполнена при поддержке программы РАН № 15 «Происхождение
и эволюция геобиологических систем», гранта РФФИ № 10-05-00953 и Интеграционного проекта исследований СО РАН и УрО РАН (№ 98).
Литература
1. Зайков В. В. Вулканизм и сульфидные холмы палеоокеанических окраин: на примере колчеданоносных зон Урала и Сибири. М.: Наука, 2006. 429 с. 2. Каныгин А. В., Токарев Д. А., Терлеев А. А., Симонов В. А. Новые находки кембрийской биоты на Кызыл-Таштыгском рудном поле (Тува) // Металлогения древних и современных океанов. Миасс: ИМин УрО
РАН, 2007. С. 101-107. 3. Кузнецов
A. П., Масленников В. В. История гидротермальной фауны океана. М.: ВНИРО, 2000. 118 с. 4. Масленников
B. В. Литогенез и колчеданообразова-ние. Миасс: ИМин УРО РАН, 2006. 384 с. 5. Симонов В. А., Зайков В. В., Ковязин С. В. Палеогеодинамические условия развития гидротермаль-
ных систем Кызыл-Таштыгского месторождения (Восточная Тува) // Металлогения древних и современных океанов. Рудоносность гидротермальных систем. Миасс: Имин УрО РАН, 1999. С. 16—23. 6. Furnes H, Banerjee N. R, Staudigel H. et al. Comparing petrographic signatures of bioalteration in recent to Mesoarchean pillow lavas: Tracing subsurface life in oceanic igneous rocks // Precambrian Research. 2007. V. 158. P. 156—176. 7. Kanygin A. V. Two ways of life development on Earth: evolutionary potential of exogenetic (photospheric) and endogenetic (hydrothermal ecosystem // First International Paleontological Congress (IPC 2002), geological Society of Australia. Abstracts. № 68. 6—10 July, 2002, Macquarie University, N.S.W., Australia. P. 34—36. 8. Mcloughlin N, Brasier M. D., Wacey D. et al. On Biogenicity Criteria for Endolithic Microborings on Early Earth and Beyond // Astrobiology, 2007. V. 7, No. 1. P. 11—26.
Рецензент д. г.-м. н. Л. В. Махлаев
